(57)【要約】優れた安定性および粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴う、ＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法であって、より具体的には、中性ビーム注入器および高調高速波電子加熱を利用した、上昇されたシステムエネルギーおよび改良された持続性を伴う、ＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法。本開示のある実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を発生および維持するための方法は、閉じ込めチャンバ内でプラズマの周りにＦＲＣを形成するステップと、複数の中性ビームをＦＲＣプラズマの中に閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップと、ＦＲＣプラズマのコア内での電子加熱のために、無線周波数範囲内の高調高速波をＦＲＣプラズマの中に発射するステップとを含む。
2019537722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を発生および維持するための方法であって、
閉じ込めチャンバ内でプラズマの周りにＦＲＣを形成するステップと、
複数の中性ビームを前記ＦＲＣプラズマの中に前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップと、
前記ＦＲＣプラズマの中に伝搬する高調高速波を用いて、前記ＦＲＣプラズマの電子を加熱するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
電子を加熱するステップは、複数の高調高速波を１つ以上のアンテナから前記閉じ込めチャンバの中に発射するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
電子を加熱するステップは、複数の高調高速波を１つ以上のアンテナから前記閉じ込めチャンバ内の前記ＦＲＣプラズマの中に前記閉じ込めチャンバの中央平面からある発射角度で発射するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記発射角度は、前記閉じ込めチャンバの中央平面から約１５°〜約２５°の範囲内である、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記発射角度は、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に対する直角に近いが、該直角未満である、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記１つ以上のアンテナは、複数のストラップを伴う位相アレイアンテナである、請求項２−５に記載の方法。
【請求項７】
前記高調高速波は、無線周波数範囲内の高速波である、請求項１−５に記載の方法。
【請求項８】
前記高調高速波は、無線周波数範囲内の高速波である、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記電子を加熱するステップは、前記電子を約１５０ｅＶから約１ｋｅＶ超まで加熱するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記電子を加熱するステップは、前記電子を約１５０ｅＶから約１ｋｅＶ超まで加熱するステップを含む、請求項１−５および８に記載の方法。
【請求項１１】
高速中性原子のビームを前記閉じ込めチャンバ内の前記ＦＲＣプラズマの中に注入する間、減衰を伴わずに、前記ＦＲＣを一定値またはほぼ一定値に維持し、プラズマ電子温度を約１．０ｋｅＶ超まで上昇させるステップをさらに含む、請求項１−５および８に記載の方法。
【請求項１２】
前記閉じ込めチャンバの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、前記閉じ込めチャンバ内で磁場を発生させ、前記閉じ込めチャンバの両端の周りに延在する擬似直流ミラーコイルを用いて、前記閉じ込めチャンバの両端内でミラー磁場を発生させるステップをさらに含む、請求項１−５および８に記載の方法。
【請求項１３】
前記閉じ込めチャンバの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、前記閉じ込めチャンバ内で磁場を発生させ、前記閉じ込めチャンバの両端の周りに延在する擬似直流ミラーコイルを用いて、前記閉じ込めチャンバの両端内でミラー磁場を発生させるステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＦＲＣを形成するステップは、形成ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバに結合される対向する第１および第２の形成区分内に形成し、前記形成ＦＲＣを前記第１および第２の形成区分から前記閉じ込めチャンバの平面を通して中央に向かって加速させるステップであって、前記２つの形成ＦＲＣは、前記ＦＲＣを形成するように融合する、ステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＦＲＣを形成するステップは、形成ＦＲＣを前記閉じ込めチャンバに結合される対向する第１および第２の形成区分内に形成し、前記形成ＦＲＣを前記第１および第２の形成区分から前記閉じ込めチャンバの平面を通して中央に向かって加速させるステップであって、前記２つの形成ＦＲＣは、前記ＦＲＣを形成するように融合する、ステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記ＦＲＣを形成するステップは、前記閉じ込めチャンバの平面を通して中央に向かって前記形成ＦＲＣを加速させながら、形成ＦＲＣを形成するステップと、形成ＦＲＣを形成し、次いで、前記閉じ込めチャンバの平面を通して中央に向かって前記形成ＦＲＣを加速させるステップとのうちの１つを含む、請求項１４および１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１および第２の形成区分から前記閉じ込めチャンバの平面を通して中央に向かって前記形成ＦＲＣを加速させるステップは、前記第１および第２の形成区分から、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成区分とに介在する前記閉じ込めチャンバの反対端部に結合される第１および第２の内側ダイバータを通して、前記形成ＦＲＣを通過させるステップを含む、請求項１４および１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１および第２の形成区分から第１および第２の内側ダイバータを通して前記形成ＦＲＣを通過させるステップは、前記形成ＦＲＣが前記第１および第２の形成区分から前記第１および第２の内側ダイバータを通して通過するにつれて、前記第１および第２の内側ダイバータを非アクティブ化するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＦＲＣの磁束表面を前記第１および第２の内側ダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記ＦＲＣの磁束表面を前記形成区分の端部に結合される第１および第２の外側ダイバータの中に誘導するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記形成区分およびダイバータの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、磁場を前記形成区分および前記第１および第２の外側ダイバータ内で発生させるステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記形成区分およびダイバータの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、磁場を前記形成区分および第１および第２の内側ダイバータ内で発生させるステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
擬似直流ミラーコイルを用いて、ミラー磁場を前記第１および第２の形成区分と前記第１および第２の外側ダイバータとの間に発生させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記形成区分と前記ダイバータとの間の狭窄部の周りに延在する擬似直流ミラープラグコイルを用いて、ミラープラグ磁場を前記第１および第２の形成区分と前記第１および第２の外側ダイバータとの間の狭窄部内で発生させるステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
擬似直流ミラーコイルを用いて、ミラー磁場を前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の内側ダイバータとの間に発生させ、擬似直流薄型ネッキングコイルを用いて、ネッキング磁場を前記第１および第２の形成区分と前記第１および第２の内側ダイバータとの間に発生させるステップをさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
前記チャンバに結合されるサドルコイルを用いて、磁気双極場および磁気四重極場のうちの１つを前記チャンバ内で発生させるステップをさらに含む、請求項１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記チャンバに結合されるサドルコイルを用いて、磁気双極場および磁気四重極場のうちの１つを前記チャンバ内で発生させるステップをさらに含む、請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
ゲッタリングシステムを用いて、前記チャンバの内部表面および第１および第２の形成区分の内部表面と、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成区分とに介在する第１および第２のダイバータと、前記第１および第２の形成区分に結合される第１および第２の外側ダイバータとを調整するステップをさらに含む、請求項２６および２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの１つを含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
プラズマを前記ＦＲＣの中に軸方向に搭載されるプラズマガンから軸方向に注入するステップをさらに含む、請求項１１および１２に記載の方法。
【請求項３１】
前記ＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップをさらに含む、請求項１１および１２に記載の方法。
【請求項３２】
前記ＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップは、バイアス電極を用いて、ある電位の分布を前記ＦＲＣの開磁束面群に印加するステップを含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３１】
コンパクトトロイド（ＣＴ）プラズマを第１および第２のＣＴ注入器から前記ＦＲＣプラズマの中に前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップをさらに含み、前記第１および第２のＣＴ注入器は、前記閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する、請求項１−５および８に記載の方法。
【請求項３２】
コンパクトトロイド（ＣＴ）プラズマを第１および第２のＣＴ注入器から前記ＦＲＣプラズマの中に前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップをさらに含み、前記第１および第２のＣＴ注入器は、前記閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する、請求項１１に記載の方法。
【請求項３３】
コンパクトトロイド（ＣＴ）プラズマを第１および第２のＣＴ注入器から前記ＦＲＣプラズマの中に前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップをさらに含み、前記第１および第２のＣＴ注入器は、前記閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する、請求項１２に記載の方法。
【請求項３４】
磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を発生および維持するためのシステムであって、
閉じ込めチャンバと、
前記第１および第２の直径方向に対向する内側ダイバータに結合される第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成区分と、
前記第１および第２の形成区分に結合される第１および第２のダイバータと、
複数のプラズマガン、１つ以上のバイアス電極、および第１および第２のミラープラグのうちの１つ以上のものであって、前記複数のプラズマガンは、前記第１および第２のダイバータ、前記第１および第２の形成区分、および前記閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第１および第２の軸方向プラズマガンを含み、前記１つ以上のバイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成区分、および前記第１および第２の外側ダイバータのうちの１つ以上のもの内に位置付けられ、前記第１および第２のミラープラグは、前記第１および第２の形成区分と前記第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる、複数のプラズマガン、１つ以上のバイアス電極、および第１および第２のミラープラグのうちの１つ以上のものと、
前記閉じ込めチャンバおよび前記第１および第２のダイバータに結合されるゲッタリングシステムと、
前記閉じ込めチャンバに結合され、前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって角度付けられる複数の中性原子ビーム注入器と、
前記閉じ込めチャンバ、前記第１および第２の形成区分、および前記第１および第２のダイバータの周囲に位置付けられる、複数の擬似直流コイルと、前記第１および第２の形成区分と前記第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる、擬似直流ミラーコイルの第１および第２のセットとを備える、磁気システムと、
前記閉じ込めチャンバの周囲に位置付けられるアンテナシステムであって、前記アンテナシステムは、高調高速波を前記ＦＲＣプラズマの中に発射し、プラズマ電子を加熱するように構成される、アンテナシステムと
を備える、システム。
【請求項３５】
前記アンテナシステムは、前記高調高速波を前記閉じ込めチャンバの中央平面からある発射角度で前記ＦＲＣプラズマの中に発射するように位置付けられる１つ以上のアンテナを含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記発射角度は、前記閉じ込めチャンバの中央平面から約１５°〜約２５°の範囲内である、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記発射角度は、前記閉じ込めチャンバの長手方向軸に対する直角に近いが、該直角未満である、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３８】
前記アンテナシステムは、複数のストラップを伴う位相アレイアンテナを含む、請求項３４−３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記高調高速波は、無線周波数範囲内の高速波である、請求項３４−３７に記載のシステム。
【請求項４０】
前記システムは、ＦＲＣプラズマ電子を約１５０ｅＶから約１ｋｅＶ超に加熱するように構成される、請求項３４−３７に記載のシステム。
【請求項４１】
前記システムは、ＦＲＣプラズマ電子を約１５０ｅＶから約１ｋｅＶ超に加熱するように構成される、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４２】
前記システムは、ＦＲＣを発生させ、前記中性ビームが前記プラズマの中に注入されている間、減衰を伴わずに、前記ＦＲＣを維持するように構成される、請求項３４−４１に記載のシステム。
【請求項４３】
前記システムは、ＦＲＣプラズマ電子温度を約１ｋｅＶ超まで上昇させるように構成される、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記第１および第２のダイバータは、前記第１および第２の形成区分と前記閉じ込めチャンバとに介在する第１および第２の内側ダイバータを備え、前記第１および第２の形成区分に結合される第１および第２の外側ダイバータをさらに備え、前記第１および第２の形成区分は、前記第１および第２の内側ダイバータと前記第１および第２の外側ダイバータとに介在する、請求項３４−４３に記載のシステム。
【請求項４５】
前記第１および第２の内側および外側ダイバータ、前記第１および第２の形成区分、および前記閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第１および第２の軸方向プラズマガンをさらに備える、請求項４４に記載のシステム。
【請求項４６】
前記閉じ込めチャンバに結合される２つ以上のサドルコイルをさらに備える、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記形成区分は、ＦＲＣを発生させ、それを前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのモジュール化された形成システムを備える、請求項３４に記載のシステム。
【請求項４８】
バイアス電極は、前記閉じ込めチャンバ内に位置付けられ、開放磁力線に接触するための１つ以上の点電極と、前記閉じ込めチャンバと前記第１および第２の形成区分との間にあり、方位角的に対称な方式において遠端束層を充電するための環状電極のセットと、前記第１および第２のダイバータ内に位置付けられ、複数の同心磁束層を充電するための複数の同心状にスタックされた電極と、開放磁束を捕捉するための前記プラズマガンのアノードとのうちの１つ以上のものを含む、請求項３４に記載のシステム。
【請求項４９】
前記システムは、ＦＲＣを発生させ、中性原子ビームが前記ＦＲＣの中に注入されている間、減衰を伴わずに、前記ＦＲＣを一定値またはほぼ一定値に維持するように構成される、請求項４８に記載のシステム。
【請求項５０】
前記第１および第２の半径方向磁場は、前記中央平面の周りで反対称である、請求項４９に記載のシステム。
【請求項５１】
前記閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で前記閉じ込めチャンバに結合される、第１および第２のコンパクトトロイド（ＣＴ）注入器をさらに備え、前記第１および第２のＣＴ注入器は、前記閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する、請求項３４−５０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に説明される実施形態は、概して、磁場反転配位（ＦＲＣ）を有する磁気プラズマ閉じ込めシステムに関し、より具体的には、優れた安定性ならびに粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴うＦＲＣの形成および維持を促進するシステムおよび方法、より具体的には、ＲＦＣ内における高調高速波電子加熱を促進するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
（背景情報）
磁場反転配位（ＦＲＣ）は、コンパクト・トロイド（ＣＴ）として公知の磁気プラズマ閉じ込めトポロジーの分類に属する。ＦＲＣは、主にポロイダル磁場を示し、自然発生のトロイダル磁場がない、または少ない（Ｍ．Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ、Ｎｕｃｌ．Ｆｕｓｉｏｎ  ２８、２０３３（１９８８）参照）。このような構造の魅力は、構築および維持が容易なその単純な形状、エネルギーの抽出および灰の除去を促進する無制限の自然ダイバータ、ならびに非常に高いβ（βはＦＲＣ内部の平均磁場圧力に対する平均プラズマ圧力の割合である）、すなわち、高出力密度である。高いβ特性は、経済運用、ならびにＤ−Ｈｅ３およびｐ−Ｂ１１などの進化した非中性子燃料の使用に有利である。
【０００３】
ＦＲＣを形成する従来の方法は、磁場反転シータピンチ技術を使用し、高温高密度のプラズマを生成する（Ａ．  Ｌ．  Ｈｏｆｆｍａｎ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｔ．  Ｓｌｏｕｇｈ，  Ｎｕｃｌ．  Ｆｕｓｉｏｎ  ３３，  ２７（１９９３）参照）。この変形形態は、シータピンチ「源」内に生成されたプラズマが、概ね即座に一端から出て閉じ込めチャンバの中に放出される移動トラッピング方法である。次いで移動するプラズモイドは、チャンバの端部で２つの強いミラーの間に閉じ込められる（例えば、Ｈ．  Ｈｉｍｕｒａ，  Ｓ．  Ｏｋａｄａ，  Ｓ．  Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，  ａｎｄ  Ｓ．  Ｇｏｔｏ，  Ｐｈｙｓ．  Ｐｌａｓｍａｓ  ２，  １９１（１９９５）参照）。いったん閉じ込めチャンバに入ると、ビーム入射（中性または中和された）、回転磁場、ＲＦまたはオーム加熱等の様々な加熱および電流駆動方法を適用してもよい。源と閉じ込め機能とのこの分離は、潜在的な将来の核融合炉に対して重要な工学的利点を提供する。ＦＲＣは、非常に堅固であり、動的形成、移動、および激しい捕捉事象に耐性があることが判明している。さらに、それらは、好ましいプラズマ状態を担う傾向を示す（例えば、Ｈ．  Ｙ．  Ｇｕｏ，  Ａ．  Ｌ．  Ｈｏｆｆｍａｎ，  Ｋ．  Ｅ．  Ｍｉｌｌｅｒ，  ａｎｄ  Ｌ．  Ｃ．  Ｓｔｅｉｎｈａｕｅｒ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ９２，  ２４５００１（２００４）参照）。他のＦＲＣの形成方法、すなわち、逆向きのヘリシティをもつスフェロマックの融合（例えば、Ｙ．  Ｏｎｏ，  Ｍ．  Ｉｎｏｍｏｔｏ，  Ｙ．  Ｕｅｄａ，  Ｔ．  Ｍａｔｓｕｙａｍａ，  ａｎｄ  Ｔ．  Ｏｋａｚａｋｉ，  Ｎｕｃｌ．  Ｆｕｓｉｏｎ  ３９，  ２００１（１９９９）参照）、およびさらなる安定性をも提供する回転磁場（ＲＭＦ）を用いて電流を駆動することによるもの（例えば、Ｉ．  Ｒ．  Ｊｏｎｅｓ，  Ｐｈｙｓ．  Ｐｌａｓｍａｓ  ６，  １９５０（１９９９）参照）の開発が過去１０年に著しく進歩を遂げた。
【０００４】
最近、かなり昔に提案された衝突融合技法（例えば、Ｄ．  Ｒ．  Ｗｅｌｌｓ，  Ｐｈｙｓ．  Ｆｌｕｉｄｓ  ９，  １０１０（１９６６）参照）がさらに著しく発展した。すなわち、閉じ込めチャンバの両端で２つの個別のシータピンチが、同時に２つのプラズモイドを生成し、プラズモイドを互いに向かって高速度で加速させ、次いで、それらは、閉じ込めチャンバの中央で衝突し、複合ＦＲＣを形成するために融合する。今までで最大のＦＲＣ実験の１つの構築および成功した作動において、従来の衝突融合法は、安定して長持ちし、高磁束、高温のＦＲＣを生成することを示した（例えば、Ｍ．  Ｂｉｎｄｅｒｂａｕｅｒ，  Ｈ．Ｙ．  Ｇｕｏ，  Ｍ．  Ｔｕｓｚｅｗｓｋｉ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  １０５，  ０４５００３（２０１０）参照）。
【０００５】
ＦＲＣは、セパラトリックスの内側の閉じた磁力線のトーラス、およびセパラトリックスのすぐ外側の開放磁力線上の環状縁層から成る。縁層は、ＦＲＣの長さを越えて集結してジェットになり、自然ダイバータを提供する。ＦＲＣトポロジは、磁場反転ミラープラズマのトポロジと一致する。しかしながら、著しい違いは、ＦＲＣプラズマが約１０のβを有することである。固有の低い内部磁場は、特定の本来の動的粒子集団、すなわち、ＦＲＣの短半径と同等の大きいラーモア半径をもつ粒子を提供する。衝突融合実験において生成されたもののように、過去および現在のＦＲＣの全体的な安定性に少なくとも部分的に寄与すると思われるのは、これらの強い動的効果である。
【０００６】
過去のＦＲＣ実験は、主に粒子移動によって判定されるエネルギー閉じ込めを伴う、対流損失によって支配される傾向にあった。粒子は、セパラトリックス体積から主に径方向外方に拡散し、次いで縁層において軸方向に損失される。故に、ＦＲＣ閉じ込めは、閉じた磁力線領域と開放磁力線領域の両方の特性に依存する。セパラトリックスから出た粒子の拡散時間は、τ⊥〜ａ２／Ｄ⊥（ａ〜ｒｓ／４であり、ｒｓは、中心セパラトリックスの半径である）として見積もられ、Ｄ⊥は、特性ＦＲＣ拡散率であり（例えば、Ｄ⊥〜１２．５ρｉｅであり、ρｉｅは、イオンジャイロ半径を表す）、外部印加磁場で評価される。縁層の粒子閉じ込め時間
【数１】
2019537722.tif 000003
は、本質的に、過去のＦＲＣ実験における軸方向通過時間である。定常状態において、半径方向の粒子損失と軸方向の粒子損失との間の均衡は、セパラトリックスの密度勾配長さ
【数２】
2019537722.tif 000004
をもたらす。ＦＲＣ粒子閉じ込め時間は、セパラトリックスで実質的な密度を有する過去のＦＲＣに対して
【数３】
2019537722.tif 000005
と見積もられる（例えば、Ｍ．  ＴＵＳＺＥＷＳＫＩ，  “Ｆｉｅｌｄ  Ｒｅｖｅｒｓｅｄ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ，”  Ｎｕｃｌ．  Ｆｕｓｉｏｎ  ２８，２０３３（１９８８）参照）。
【０００７】
先行のＦＲＣシステム設計の別の短所は、中性ビーム注入以外、効率的電子加熱体系を欠いており、これは、イオン−電子衝突を通した電子における電力減衰の機構に起因して、不良電子加熱効率を有する傾向にある。
【０００８】
前述に照らして、したがって、エネルギーの将来的発生のための軽核の融合のための反応器コアへの経路として、定常状態ＦＲＣと上昇されたエネルギーシステムを併用するために、ＦＲＣの持続性を改良することが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｍ．  ＴＵＳＺＥＷＳＫＩ，  “Ｆｉｅｌｄ  Ｒｅｖｅｒｓｅｄ  Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ，”  Ｎｕｃｌ．  Ｆｕｓｉｏｎ  ２８，２０３３（１９８８）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書に提供される本実施形態は、優れた安定性および粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴う、ＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法、より具体的には、上昇されたシステムエネルギーおよび改良された持続性を伴う、ＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法、より具体的には、ＦＲＣ内の高調高速波電子加熱を促進する、システムおよび方法を対象とする。本開示のある実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を発生および維持するための方法は、閉じ込めチャンバ内でプラズマの周りにＦＲＣを形成するステップと、複数の中性ビームをＦＲＣプラズマの中に閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップと、ＦＲＣプラズマのコア内での電子加熱のために、無線周波数範囲内の高調高速波をＦＲＣプラズマの中に発射するステップとを含む。
【００１１】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、減衰を伴わずに、ＦＲＣを一定値またはほぼ一定値に維持し、無線周波数範囲内の高調高速波をＦＲＣプラズマの中に閉じ込めチャンバの平面を通して中央からある角度で発射することによって、プラズマ電子温度を約１．０ｋｅＶ超まで上昇させるステップを含む。
【００１２】
無線周波数範囲内の高調高速波を介した電子の加熱は、有利には、高速イオン電荷交換損失を低減させ、プラズマ閉じ込めを改良し、かつプラズマ電流駆動効率を向上させ、これは、電子温度Ｔｅに伴って上昇する。
【００１３】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法は、コンパクトトロイド（ＣＴ）プラズマを第１および第２のＣＴ注入器からＦＲＣプラズマの中に閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップをさらに含み、第１および第２のＣＴ注入器は、閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する。
【００１４】
本開示のある実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を発生および維持するためのシステムは、閉じ込めチャンバと、閉じ込めチャンバに結合される、第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成区分と、第１および第２の形成区分に結合される、第１および第２のダイバータと、複数のプラズマガン、１つ以上のバイアス電極、および第１および第２のミラープラグのうちの１つ以上のものであって、複数のプラズマガンは、第１および第２のダイバータ、第１および第２の形成区分、および閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第１および第２の軸方向プラズマガンを含み、１つ以上のバイアス電極は、閉じ込めチャンバ、第１および第２の形成区分、および第１および第２のダイバータのうちの１つ以上のもの内に位置付けられ、第１および第２のミラープラグは、第１および第２の形成区分と第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる、複数のプラズマガン、１つ以上のバイアス電極、および第１および第２のミラープラグのうちの１つ以上のものと、閉じ込めチャンバおよび第１および第２のダイバータに結合される、ゲッタリングシステムと、閉じ込めチャンバに結合され、閉じ込めチャンバの中央平面に向かって角度付けられる、複数の中性原子ビーム注入器と、閉じ込めチャンバ、第１および第２の形成区分、および第１および第２のダイバータの周囲に位置付けられる、複数の擬似直流コイルと、第１および第２の形成区分と第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる、擬似直流ミラーコイルの第１および第２のセットとを備える、磁気システムと、閉じ込めチャンバに結合され、閉じ込めチャンバ内のＦＲＣプラズマのコア内での電子加熱のために、無線周波数範囲内の高調高速波を発射する、１つ以上のアンテナとを備える。
【００１５】
本開示のさらなる実施形態によると、本システムはさらに、閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で閉じ込めチャンバに結合される、第１および第２のコンパクトトロイド（ＣＴ）注入器を備え、第１および第２のＣＴ注入器は、閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する。
【００１６】
例示的実施形態のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図およびならびに発明を実施するための形態の吟味に応じて、当業者に明白である、または明白となるであろう。全てのそのような付加的方法、特徴、および利点は、本説明内に含まれ、付随の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。また、特許請求の範囲は、例示的実施形態の詳細を要求するように限定されないことも意図される。
【００１７】
添付図面は本明細書の一部として含まれ、この例示的な実施形態を示し、上に提供された概要および以下に提供される例示的な実施形態の詳述と共に、本実施形態の原理を説明し教示する働きをする。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】高性能のＦＲＣレジーム（ＨＰＦ）下と従来のＦＲＣレジーム（ＣＲ）下との関係、および他の従来のＦＲＣ実験との関係において、本ＦＲＣシステムにおける粒子閉じ込めを示す図である。
【００１９】
【図２】本ＦＲＣシステムの構成要素、および本ＦＲＣシステムにおけるＦＲＣを生産可能な磁気トポロジーを示す図である。
【００２０】
【図３Ａ】図３Ａは、中央閉じ込め容器、形成区分、ダイバータ、中性ビーム、電極、プラズマガン、ミラープラグ、およびペレット注入器の好ましい配列を含む、上部から見た本ＦＲＣシステムの基本レイアウトを図示する。
【００２１】
【図３Ｂ】図３Ｂは、上部から見た中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して直角である角度で配列される、中性ビームを示す。
【００２２】
【図３Ｃ】図３Ｃは、上部から見た中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器内の対称長軸に対して直角未満である角度で配列され、粒子を中心閉じ込め容器の中央平面に向かって注入するように指向される、中性ビームを示す。
【００２３】
【図３Ｄ】図３Ｄおよび３Ｅは、それぞれ、中心閉じ込め容器と、形成区分と、内側および外側ダイバータと、中心閉じ込め容器内の対称主軸に対して直角未満の角度で配列される中性ビームと、電極と、プラズマガンと、ミラープラグとの好ましい配列を含む、本ＦＲＣシステムの代替実施形態の基本レイアウトの上部および斜視図を図示する。
【図３Ｅ】図３Ｄおよび３Ｅは、それぞれ、中心閉じ込め容器と、形成区分と、内側および外側ダイバータと、中心閉じ込め容器内の対称主軸に対して直角未満の角度で配列される中性ビームと、電極と、プラズマガンと、ミラープラグとの好ましい配列を含む、本ＦＲＣシステムの代替実施形態の基本レイアウトの上部および斜視図を図示する。
【００２４】
【図４】形成部分に対するパルス電力システムの構成要素の概略を示す図である。
【００２５】
【図５】個々のパルス電力形成スキッドのアイソメ図である。
【００２６】
【図６】形成管アセンブリのアイソメ図である。
【００２７】
【図７】中性ビームシステムおよび主要構成要素の部分断面アイソメ図である。
【００２８】
【図８】閉じ込めチャンバ上の中性ビーム配置のアイソメ図である。
【００２９】
【図９】ＴｉおよびＬｉゲッタリング・システムの好ましい配置の部分断面アイソメ図である。
【００３０】
【図１０】ダイバータ・チャンバに搭載されたプラズマガンの部分断面アイソメ図である。また、関連した磁気ミラープラグおよびダイバータ電極アセンブリも示す。
【００３１】
【図１１】閉じ込めチャンバの軸方向端部における環状バイアス電極の好ましい配置を示す図である。
【００３２】
【図１２】２つの磁場反転シータピンチ形成部分における一連の外部反磁性ループおよび中央金属閉じ込めチャンバ内に組み込んだ磁界プローブから獲得した、ＦＲＣシステムにおける排除磁束半径の展開を示す図である。時間は、形成源内の同期された磁場反転の瞬間から測定され、距離ｚは、機械の軸方向の中央平面に対して与えられる。
【００３３】
【図１３】図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，および１３Ｄは、本ＦＲＣシステム上の代表的な非ＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図である。図１３Ａは、中央平面における排除磁束半径が、時間関数として示されている。図１３Ｂは、中央平面ＣＯ２干渉計からの線集積密度の６つのコードが、時間関数として示されている。図１３Ｃは、ＣＯ２干渉計データからのアーベル逆変換密度半径の外形が、時間関数として示されている。図１３Ｄは、圧力平衡からの合計プラズマ温度が、時間関数として示されている。
【００３４】
【図１４】図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，および１３Ｄに示された本ＦＲＣシステムの同じ放出に対して、選択された時間における排除磁束の軸方向の外形を示す図である。
【００３５】
【図１５】閉じ込めチャンバの外側に装着されたサドルコイルのアイソメ図である。
【００３６】
【図１６】図１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，および１６Ｄは、ＦＲＣの耐用期間および入射された中性ビームのパルス長の相互関係を示す図である。示されたように、ビームパルスが長いほど、より長く耐用するＦＲＣを生成する。
【００３７】
【図１７】図１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，および１７Ｄは、ＦＲＣ性能のＦＲＣシステムの異なる構成要素の個々の効果および組み合わせた効果、ならびにＨＰＦレジームの達成を示す図である。
【００３８】
【図１８】図１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，および１８Ｄは、本ＦＲＣシステム上の代表的なＨＰＦの非持続放出からのデータを示す図である。図１８Ａは、中央平面における排除磁束半径が、時間関数として示されている。図１８Ｂは、中央平面ＣＯ２干渉計からの線集積密度の６つのコードが、時間関数として示されている。図１８Ｃは、ＣＯ２干渉計データからのアーベル逆変換密度半径の外径が、時間関数として示されている。図１８Ｄは、圧力平衡からの合計プラズマ温度が、時間関数として示されている。
【００３９】
【図１９】電子温度（Ｔｅ）の関数として、磁束閉じ込めを示す図である。これは、ＨＰＦ放出に対して新しく確立された優れたスケーリングレジームを表すグラフを示す。
【００４０】
【図２０】図２０は、角度付けられていないおよび角度付けられた注入される中性ビームのパルス長に対応する、ＦＲＣ寿命時間を図示する。
【００４１】
【図２１】図２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄおよび２１Ｅは、角度付けられた注入される中性ビームのパルス長と、角度付けられた注入される中性ビームのパルス長に対応するプラズマ半径、プラズマ密度、プラズマ温度、および磁束のＦＲＣプラズマパラメータの寿命とを図示する。
【００４２】
【図２２】図２２Ａおよび２２Ｂは、コンパクトトロイド（ＣＴ）注入器の基本レイアウトを図示する。
【００４３】
【図２３】図２３Ａおよび２３Ｂは、中心閉じ込め容器を図示し、そこに搭載されたＣＴ注入器を示す。
【００４４】
【図２４】図２４Ａおよび２４Ｂは、そこに結合されたドリフトチューブを有する、ＣＴ注入器の代替実施形態の基本レイアウトを図示する。
【００４５】
【図２５】図２５は、上部から見たときの中心閉じ込め容器を図示し、中心閉じ込め容器内の対称主軸に対して直角未満の角度で配列され、粒子を中心閉じ込め容器の中央平面に向かって注入するように指向される、中性ビームを示し、プラズマ電子の加熱のために、高調高速波が、中心閉じ込め容器内の対称主軸に対して直角未満の角度で伝搬され、中心閉じ込め容器の中央平面から伝搬するように指向される、アンテナを示す。
【００４６】
【図２６】図２６Ａおよび２６Ｂは、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマの完全な半径方向密度プロファイルおよび完全な半径方向電子温度プロファイルを図示する。
【００４７】
【図２７】図２７Ａ−２７Ｄは、本ＦＲＣシステムの中央平面（Ｚ＝０）におけるシステム平衡および特性周波数の半径方向プロファイルを図示する。
【００４８】
【図２８】図２８Ａ−２８Ｃは、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での８ＧＨｚにおけるマイクロ波の電子加熱条件下での電力吸収およびモード変換の観察を図示する。
【００４９】
【図２９】図２９Ａ−２９Ｆは、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での５０ＧＨｚにおけるマイクロ波の電子加熱条件下での電力吸収およびモード変換の観察を図示する。
【００５０】
【図３０】図３０Ａ−３０Ｃは、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での０．５ＧＨｚにおけるホイッスラー波の電子加熱条件下での電力吸収の観察を図示する。
【００５１】
【図３１】図３１は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での密度プロファイルおよび波伝搬を図示する。
【００５２】
【図３２】図３２は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内でのポロイダル磁束プロファイルおよび波伝搬を図示する。
【００５３】
【図３３】図３３は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での例示的密度プロファイルおよび波伝搬軌道を図示する。
【００５４】
【図３４】図３４は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での例示的ω／ωｃｉ［Ｄ］プロファイルおよび波伝搬軌道を図示する。
【００５５】
【図３５】図３５は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での波伝搬の距離に伴う例示的電力減衰を図示する。
【００５６】
【図３６】図３６は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での例示的電力吸収プロファイルを図示する。
【００５７】
【図３７】図３７Ａおよび３７Ｂは、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での電力密度の例示的半径方向プロファイルを図示する。
【００５８】
【図３８】図３８は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での減衰電力密度の例示的２Ｄプロファイルを図示する。
【００５９】
【図３９】図３９は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での例示的電力減衰プロファイルを図示する。
【００６０】
【図４０】図４０は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での例示的有限イオンラーモア半径プロファイルを図示する。
【００６１】
【図４１】図４１は、本ＦＲＣシステムのＦＲＣプラズマ内での例示的電力吸収プロファイルを図示する。
【００６２】
【図４２】図４２は、ＦＲＣシステムの本ＦＲＣプラズマの例示的プロファイルを図示する。
【００６３】
図は必ずしも一定の縮尺で描かれてはおらず、同様の構造または機能の要素は、説明のために図を通して同じ参照番号で概ね表されていることに留意されたい。また図は、本明細書に記載された様々な実施形態の説明を容易にすることを意図するに過ぎないことにも留意されたい。図は、必ずしも本明細書に開示された教示のすべての態様を説明せず、特許請求の範囲を限定するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００６４】
本明細書に提供される本実施形態は、優れた安定性および粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴う、ＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法を対象とする。本実施形態のいくつかは、中性ビーム注入および高調高速波電子加熱を利用した、上昇されたシステムエネルギーおよび温度および改良された持続性を伴うＦＲＣの形成および維持を促進する、システムおよび方法を対象とする。
【００６５】
（詳細な説明）
本明細書に提供される本実施形態は、半径方向および軸方向の両方におけるＦＲＣプラズマの安定性と、ＦＲＣプラズマの平衡の軸方向安定性性質から独立して、ＦＲＣプラズマ閉じ込めチャンバの対称軸に沿ったＦＲＣプラズマの軸方向位置制御とを促進する、システムおよび方法を対象とする。別個および組み合わせの両方において、これらの付加的特徴および教示の多くを利用する、本明細書に説明される実施形態の代表的実施例が、ここで、添付の図面を参照して説明される。この詳細な説明は、単に、当業者に、本教示の好ましい側面を実践するためのさらなる詳細を教示することを意図し、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、以下の詳細な説明に開示される特徴およびステップの組み合わせは、最も広義には、本発明を実践するために必要ではなくてもよく、代わりに、本教示の代表的実施例を特に説明するためだけに教示される。
【００６６】
さらに、代表的実施例および従属請求項の種々の特徴は、本教示の付加的な有用な実施形態を提供するために、具体的かつ明示的には列挙されない方法で組み合わせられてもよい。加えて、説明および／または請求項に開示される全ての特徴は、元来の開示の目的のために、ならびに実施形態および／または請求項における特徴の複合物から独立して、請求される主題を制限する目的のために、相互から別個かつ独立して開示されることが意図されることが明示的に留意される。また、全ての値範囲またはエンティティの群のインジケーションは、元来の開示の目的のために、ならびに請求される主題を制限する目的のために、あらゆる可能な中間値または中間エンティティを開示することも明示的に留意される。
【００６７】
ＦＲＣプラズマ内の高調高速波電子加熱を促進する、システムおよび方法に目を向ける前に、従来のＦＲＣに優る、優れた安定性および優れた粒子、エネルギー、および磁束閉じ込めを伴う、高性能ＦＲＣを形成および維持するためのシステムおよび方法の議論、および高性能ＦＲＣを形成し、減衰を伴わずに、一定値またはほぼ一定値に維持するためのシステムおよび方法の議論が、提供される。そのような高性能ＦＲＣは、コンパクト中性子源（医療用同位体生産、核廃棄物浄化、材料研究、中性子Ｘ線撮影、および断層撮影のため）、コンパクト光子源（化学生産および処理のため）、質量分離および濃縮システム、および将来のエネルギー生成のための軽核の融合用炉心を含む、あらゆる種々の用途への経路を提供する。
【００６８】
様々な付随システムおよび作動モードが、ＦＲＣ内に優れた閉じ込めレジームが存在するかどうかを評価するために調査されてきた。これらの努力は、本明細書に説明された高性能のＦＲＣパラダイムの画期的な発見および発展をもたらした。この新しいパラダイムによれば、本システムおよび方法は、多くの新規の発想と、図１に示したように、ＦＲＣ閉じ込めを劇的に向上させ、かつ負の副作用のない安定制御を提供する手段を組み合わせる。以下により詳細に論じるように、図１は、以下に説明する（図２および３参照）ＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込めを示し、ＦＲＣを形成し維持するために従来のレジームＣＲによる作動に対して、また他の実施形態で使用されるＦＲＣを形成し維持するために従来のレジームによる粒子閉じ込めに対して、ＦＲＣを形成し維持するための高性能のＦＲＣレジーム（ＨＰＦ）により作動する。本開示は、ＦＲＣシステム１０の革新的な個々の構成要素および方法、ならびにそれらの集合効果の概要を説明し詳述する。
【００６９】
（ＦＲＣシステムの説明）
真空システム
図２および３は、本ＦＲＣシステム１０の概略を示す。ＦＲＣシステム１０は、２つの直径方向に対向する磁場反転シータピンチ形成部分２００、およびその形成部分２００を超えた、中性密度および不純物汚染を制御するための２つのダイバータ・チャンバ３００によって包囲された中央閉じ込め容器１００を含む。本ＦＲＣシステム１０は、超高真空を収容するように構築されており、一般的な基準圧１０−８トルで作動する。このような真空圧は、嵌合構成要素、金属Ｏリング、高純度の内壁の間のダブルポンプの嵌合フランジを使用し、ならびに物理的および化学的洗浄に続き、２４時間２５０℃での真空焼成および水素グロー放電洗浄などの、組立て前にすべての部分を最初に慎重に表面調整する必要がある。
【００７０】
磁場反転シータピンチ形成部分２００は、以下に詳しく論じる（図４〜６参照）進化したパルス電力形成システムを備えているが、標準磁場反転シータピンチ（ＦＲＴＰ）である。各形成部分２００は、超高純度石英の２ミリメートルの内壁を特色とする、標準純度工業グレードの石英管から作成される。閉じ込めチャンバ１００は、ステンレス鋼から作成されて、複数の径方向および接線方向のポートが可能になる。また閉じ込めチャンバ１００は、以下に説明される実験の時間スケール上で磁束保存器として働き、高速過渡磁場を制限する。真空は、ドライスクロール粗引きポンプ、ターボ分子ポンプおよびクライオポンプのセットを備える、ＦＲＣシステム１０内に生成され維持される。
【００７１】
磁気システム
磁気システム４００は、図２および３に示されている。図２は、他の特徴の中でとりわけ、ＦＲＣシステム１０によって生産可能なＦＲＣ４５０に関する、ＦＲＣ磁束および密度等高線（径方向および軸方向座標の関数として）を示す。これらの等高線は、ＦＲＣシステム１０に対応するシステムおよび方法をシミュレーションするために開発されたコードを使用して、二次元抵抗性Ｈａｌｌ−ＭＨＤ数値シミュレーションによって獲得されたものであり、測定された実験データとよく合致する。図２に見られるように、ＦＲＣ４５０は、セパラトリックス４５１の内側のＦＲＣ４５０の内部４５３で、閉じた磁力線のトーラス、およびセパラトリックス４５１のすぐ外側の開いた磁力線４５２上の環状縁層４５６からなる。縁層４５６は、ＦＲＣの長さを超えて集結してジェット４５４になり、自然ダイバータを提供する。
【００７２】
主磁気システム４１０は、構成要素に沿って、すなわち、ＦＲＣシステム１０の閉じ込めチャンバ１００、形成部分２００およびダイバータ３００に沿って、特に軸方向位置にある一連の疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６を含む。疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６は、疑似直流スイッチング電源によって供給され、閉じ込めチャンバ１００、形成部分２００およびダイバータ３００内に約０．１Ｔの基本磁気バイアス磁場を生成する。疑似直流コイル４１２、４１４、および４１６に加えて、主磁気システム４１０は、閉じ込めチャンバ１００のいずれかの端部と隣接した形成部分２００との間に疑似直流ミラーコイル４２０（スイッチング電源によって供給される）を含む。疑似直流ミラーコイル４２０は、最高５までの磁気ミラー比を提供し、平衡形状制御のために単独で活性化されることが可能である。加えて、ミラープラグ４４０は、それぞれの形成部分２００とダイバータ３００との間に位置付けられる。ミラープラグ４４０は、小型の疑似直流ミラーコイル４３０およびミラープラグコイル４４４を備える。疑似直流ミラーコイル４３０は、ミラープラグコイル４４４を通過して短い直径の通路４４２に向かって磁束表面４５５の焦点を合わせるために、追加のガイド磁場を生成する３つのコイル４３２、４３４および４３６（スイッチング電源によって供給される）を含む。ミラープラグコイル４４４は、短い直径の通路４４２を中心に巻き付き、ＬＣパルス電力回路によって供給され、最高４Ｔまでの強いミラー磁場を生成する。このコイル配置全体の目的は、堅く束ね、磁束表面４５５および端部に流れるプラズマジェット４５４を、ダイバータ３００の遠隔チャンバ３１０に導くことである。最後に、サドルコイル「アンテナ」４６０のセット（図１５参照）は、中央平面の各側面上に２つずつ、閉じ込めチャンバ１００の外側に配置され、直流電源によって供給される。サドルコイル・アンテナ４６０を、回転不安定性の制御および／または電子電流制御のために、約０．０１Ｔの準静的磁気双極子または四重極磁場を提供するように構成することができる。サドルコイル・アンテナ４６０は、印加電流の方向に依存して、中央平面に対して対称または反対称のいずれかである、磁場を柔軟に提供できる。
【００７３】
パルス電力形成システム
パルス電力形成システム２１０は、修正シータピンチ原理に基づいて作動する。それぞれが形成部分２００の１つに電力を供給する、２つのシステムが存在する。図４〜６は、形成システム２１０の主な構築ブロックおよび配置を示す。形成システム２１０は、個々のユニット（＝スキッド）２２０からなるモジュラーパルス電力配置から構成され、スキッド２２０のそれぞれは、形成石英管２４０を中心に巻き付くストラップアセンブリ２３０（＝ストラップ）のコイル２３２のサブセットを活性化する。各スキッド２２０は、コンデンサ２２１、インダクタ２２３、高速大電流スイッチ２２５および関連トリガー２２２ならびにダンプ回路２２４から構成される。全体で、各形成システム２１０は、３５０〜４００ｋＪの容量エネルギーを保存し、この容量エネルギーは、最高３５ＧＷまでの電力を提供してＦＲＣを形成し加速する。これらの構成要素の協調された作動は、最先端のトリガーおよび制御システム２２２および２２４を介して達成され、それによって各形成部分２００上の形成システム２１０間のタイミングを同期することが可能になり、スイッチングジッタを数十ナノ秒に最小化する。このモジュラー設計の利点は、その柔軟な作動である。すなわち、ＦＲＣをその場で形成でき、次いで加速し照射する（＝静的形成）、または形成し同時に加速する（＝動的形成）ことができる。
【００７４】
中性ビーム注入器
中性原子ビーム６００が、ＦＲＣシステム１０上に展開され、加熱および電流駆動を提供し、高速粒子圧力を発生させる。図３Ａ、３Ｂ、および８に示されるように、中性原子ビーム注入器システム６１０および６４０を構成する、個々のビーム線は、標的捕捉ゾーンが十分に区分線４５１（図２参照）の範囲内にあるように、衝突パラメータを用いて、中心閉じ込めチャンバ１００の周囲に位置し、高速粒子をＦＲＣプラズマに対して接線方向に（かつ、中心閉じ込め容器１００内の対称長軸に対して垂直または直角である角度で）注入する。各注入器システム６１０および６４０は、２０〜４０ｋｅＶの粒子エネルギーを用いて、最大１ＭＷの中性ビームパワーをＦＲＣプラズマの中に注入可能である。システム６１０および６４０は、正イオン多開口抽出源に基づき、幾何学的集束、イオン抽出グリッドの慣性冷却、および差動ポンプを利用する。異なるプラズマ源の使用は別として、システム６１０および６４０は、主に、側方および上方注入能力をもたらす、その個別の搭載場所を満たすようなその物理的設計によって区別される。これらの中性ビーム注入器の典型的構成要素は、側方注入器システム６１０に関する図７に具体的に図示される。図７に示されるように、各個々の中性ビームシステム６１０は、端部を被覆する磁気遮蔽６１４とともに、入力端部（これは、システム６４０内のアーク源で代用される）にＲＦプラズマ源６１２を含む。イオン光学源および加速グリッド６１６は、プラズマ源６１２に結合され、ゲート弁６２０は、イオン光学源および加速グリッド６１６と中和装置６２２との間に位置付けられる。偏向磁石６２４およびイオンダンプ６２８は、中和装置６２２と出口端部における照準デバイス６３０との間に位置する。冷却システムは、２つの低温冷凍機６３４と、２つのクライオパネル６３６と、ＬＮ２シュラウド６３８とを備える。本柔軟性のある設計は、広範囲のＦＲＣパラメータにわたる動作を可能にする。
【００７５】
中性原子ビーム注入器６００のための代替構成は、高速粒子をＦＲＣプラズマに対して接線方向に注入するが、角度Ａは、中心閉じ込め容器１００内の対称長軸に対して９０°未満であるものである。ビーム注入器６１５のこれらのタイプの配向は、図３Ｃに示される。加えて、ビーム注入器６１５は、中心閉じ込め容器１００の中央平面の両側のビーム注入器６１５が、その粒子を中央平面に向かって注入するように配向されてもよい。最後に、これらのビームシステム６００の軸方向位置は、中央平面により近接するように選定されてもよい。これらの代替注入実施形態は、より中心における燃料補給選択肢を促進し、ビームのより優れた結合および注入される高速粒子のより高い捕捉効率を提供する。さらに、角度および軸方向位置に応じて、ビーム注入器６１５の本配列は、ＦＲＣ４５０の軸方向伸長および他の特性のより直接的かつ独立した制御を可能にする。例えば、ビームを容器の対称長軸に対して浅角Ａで注入することは、より長い軸方向伸展およびより低い温度を伴うＦＲＣプラズマを作成するであろう一方、より垂直な角度Ａで取り上げることは、軸方向により短いが、より高温のプラズマにつながるであろう。本方式では、ビーム注入器６１５の注入角度Ａおよび場所は、異なる目的のために最適化されることができる。加えて、ビーム注入器６１５のそのような角度付けおよび位置付けは、より高いエネルギーのビーム（概して、より少ないビーム分散を伴う、より多くのパワーを堆積させるためにより好ましい）が、そうでなければ、そのようなビームを捕捉するために必要となるであろうものより低い磁場の中に注入されることを可能にすることができる。これは、高速イオン軌道スケールを判定するのが、エネルギーの方位角成分（容器の対称長軸に対する注入角度が一定ビームエネルギーで低減されるにつれて、徐々に小さくなる）という事実に起因する。さらに、中央平面に向かって角度付けられた注入および中央平面に近接する軸方向ビーム位置は、注入周期の間、ＦＲＣプラズマが収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム−プラズマ結合を改良する。
【００７６】
図３Ｄおよび３Ｅに目を向けると、ＦＲＣシステム１０の別の代替構成は、角度付けられたビーム注入器６１５に加え、内側ダイバータ３０２を含む。内側ダイバータ３０２は、形成区分２００と閉じ込めチャンバ１００との間に位置付けられ、外側ダイバータ３００と実質的に同様に構成され、動作する。高速切替磁気コイルをその中に含む、内側ダイバータ３０２は、形成プロセスの間、事実上、非アクティブであり、形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって平行移動するにつれて、形成ＦＲＣが、内側ダイバータ３０２を通過することを可能にする。いったん形成ＦＲＣが内側ダイバータ３０２を通過して閉じ込めチャンバ１００の中に入ると、内側ダイバータは、アクティブ化され、外側ダイバータと実質的に同様に動作し、閉じ込めチャンバ１００を形成区分２００から隔離する。
【００７７】
ペレット照射装置
新しい粒子を照射し、ＦＲＣの粒子インベントリをより良好に制御する手段を提供するために、１２バレルペレット照射装置７００（例えば、Ｉ．Ｖｉｎｙａｒら、「Ｐｅｌｌｅｔ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒｓ  Ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ  ａｔ  ＰＥＬＩＮ  ｆｏｒ  ＪＥＴ，
ＴＡＥ，  ａｎｄ  ＨＬ−２Ａ（ＪＥＴ、ＴＡＥ、およびＨＬ−２Ａに対してＰＥＬＩＮで開発されたペレット照射装置）」第２６回Ｆｕｓｉｏｎ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ（核融合科学技術シンポジウム）の報告書、９月２７日〜１０月１日（２０１０）参照）がＦＲＣシステム１０上に利用される。図３は、ＦＲＣシステム１０上のペレット照射装置７００の配置を示す。円筒形ペレット（Ｄは約１ｍｍ、Ｌは約１〜２ｍｍ）は、ＦＲＣに速度１５０〜２５０ｋｍ／ｓの範囲で照射される。個々のペレットはそれぞれ、約５×１０１９の水素原子を含み、これはＦＲＣの粒子インベントリに匹敵する。
【００７８】
ゲッタリング・システム
中性ハロガスは、すべての閉じ込めシステムにおいて深刻な問題であることは周知である。電荷交換および再利用（壁からの低温の不純物材料の放出）プロセスは、エネルギーおよび粒子閉じ込めに壊滅的な影響を与える可能性がある。加えて、縁部におけるまたは縁部付近のいかなる高濃度の中性ガスも、照射された大きい軌道（高エネルギー）の粒子（大きい軌道は、ＦＲＣトポロジーの規模の軌道、または少なくとも特性磁界勾配長さスケールよりはるかに大きい軌道半径を有する粒子を指す）の耐用期間を即座に喪失させる、または少なくとも大幅に短くする、すなわち、これは、補助ビーム加熱を介する融合を含め、すべてのエネルギープラズマの適用に弊害をもたらす。
【００７９】
表面調整は、それによって中性ガスおよび不純物の悪影響を、閉じ込めシステムにおいて制御または低減できる手段である。この目的を達成するために、本明細書に提供されたＦＲＣシステム１０は、チタニウム（Ｔｉ）およびリチウム（Ｌｉ）成膜システム８１０および８２０を利用し、閉じ込めチャンバ（または容器）１００およびダイバータ３００および３０２のプラズマ対向面をＴｉおよび／またはＬｉの薄膜（厚さ数十マイクロメートル）で被覆する。被覆は蒸着技法により達成される。中実のＬｉおよび／またはＴｉは、被覆を形成するために近傍表面上に蒸着され、かつ／または昇華されまた噴霧される。源は、ガイドノズル（Ｌｉの場合）８２２を備える原子炉、またはガイドシュラウド（Ｔｉの場合）８１２を備える中実の加熱球である。Ｌｉ蒸着システムは、通常、連続モードで作動するが、Ｔｉ昇華装置は、普通はプラズマ作動の間に断続的に作動される。これらのシステムの作動温度は、速い蒸着速度を得るために６００℃を超える。良好な壁被覆を達成するために、複数の戦略的に配置された蒸着／昇華システムが必要とされる。図９は、ＦＲＣシステム１０におけるゲッタリング蒸着システム８１０および８２０の好ましい配置を詳しく示す。被覆は、ゲッタリング表面ならびに有効なポンプの原子および分子の水素種（ＨおよびＤ）として作用する。また被覆は、炭素および酸素などの他の通常の不純物をかなりの水準で低減する。
【００８０】
ミラープラグ
上述のように、ＦＲＣシステム１０は、図２および３に示したように、ミラーコイル４２０、４３０、および４４４のセットを利用する。ミラーコイル４２０の第１のセットは、閉じ込めチャンバ１００の２つの軸方向端部に配置され、主磁気システム４１０のＤＣ閉じ込め、形成、およびダイバータコイル４１２、４１４および４１６から単独に活性化される。ミラーコイル４２０の第１のセットは、主に融合中にＦＲＣ４５０を進め軸方向に包含する助けとなり、持続している間に平衡成形制御を提供する。第１のミラーコイルセット４２０は、中央閉じ込めコイル４１２によって生成された中央閉じ込め磁場より名目上高い磁場（約０．４〜０．５Ｔ）を生成する。ミラーコイル４３０の第２のセットは、３つの小型の疑似直流ミラーコイル４３２、４３４および４３６を含み、形成部分２００とダイバータ３００との間に配置され、一般的なスイッチ電源によって駆動される。ミラーコイル４３２、４３４および４３６は、より小型のパルスミラープラグコイル４４４（容量電源によって供給される）および物理的収縮部４４２と一緒に、狭い低ガス伝導通路を非常に高い磁場（約１０〜２０ｍｓの立上り時間で２〜４Ｔ）で提供する、ミラープラグ４４０を形成する。最も小型のパルスミラーコイル４４４は、閉じ込めコイル４１２、４１４および４１６のメートルプラススケールの孔およびパンケーキ型設計に比べて、小型の径方向寸法、２０ｃｍの孔および同様の長さである。ミラープラグ４４０の目的は、以下のように多種多様である。（１）コイル４３２、４３４、４３６および４４４を堅く束ね、磁束表面４５２および端部に流れるプラズマジェット４５４を、遠隔ダイバータ・チャンバ３００に導く。これは、排出粒子がダイバータ３００に適切に到着し、中央ＦＲＣ４５０の開いた磁力線４５２領域からダイバータ３００までずっと追跡する、連続した磁束表面４５５が存在することを確実にする。（２）ＦＲＣシステム１０における物理的収縮部４４２は、それを通ってコイル４３２、４３４、４３６および４４４が磁束表面４５２およびプラズマジェット４５４を通過することができ、ダイバータ３００内に着座するプラズマガン３５０からの中性ガス流を妨げる。同じように、収縮部４４２は、形成部分２００からダイバータ３００へのガスの逆流を防止し、それによってＦＲＣの起動を開始するときに、ＦＲＣシステム１０全体に導入しなければならない中性粒子の数が低減する。（３）コイル４３２、４３４、４３６および４４４によって生成された強い軸方向のミラーは軸方向の粒子損失を低減し、それによって開いた磁力線上の平行な粒子拡散係数が低減する。
【００８１】
図３Ｄおよび３Ｅに示される代替構成では、薄型縮径コイル４２１のセットが、内側ダイバータ３０２と形成区分２００との間に位置付けられる。
【００８２】
軸方向のプラズマガン
ダイバータ３００のダイバータ・チャンバ３１０内に装着されたガン３５０からのプラズマ流は、安定性および中性ビーム性能を向上させることを意図する。ガン３５０は、図３および１０に示したように、ダイバータ３００のチャンバ３１０の内側の軸上に装着され、プラズマ流をダイバータ３００内の開いた磁力線４５２に沿って、閉じ込めチャンバ１００の中心に向かって生成する。ガン３５０は、ワッシャー積層チャネル内に高濃度ガス放出で作動し、５〜１０ｍｓに完全にイオン化されたプラズマを数キロアンペア生成するように設計されている。ガン３５０は、出力プラズマ流を閉じ込めチャンバ１００内の所望のサイズのプラズマに一致させる、パルス磁気コイルを含む。ガン３５０の技術パラメータは、５〜１３ｃｍの外径、および最高１０ｃｍまでの内径を有するチャネルを特徴とし、ガンの内部磁場は０．５〜２．３Ｔで、４００〜６００Ｖで１０〜１５ｋＡの放電電流を提供する。
【００８３】
ガンプラズマ流は、ミラープラグ４４０の磁場を貫通し、形成部分２００および閉じ込めチャンバ１００に流入することができる。ミラープラグ４４０を通るプラズマ移動の効率は、ガン３５０とプラグ４４０との間の距離を低減し、プラグ４４０をより広く短くすることによって高まる。妥当な条件下で、ガン３５０はそれぞれ、約１５０〜３００ｅＶおよび約４０〜５０ｅＶの高いイオン温度および電子温度で、２〜４Ｔのミラープラグ４４０を通り約１０２２プロトン／ｓを送達する。ガン３５０は、ＦＲＣの縁層４５６の著しい燃料補給および改良されたＦＲＣ全体の粒子閉じ込めを提供する。
【００８４】
プラズマ密度をさらに高めるために、ガスボックスを利用して、追加のガスをガン３５０からプラズマ流に吹き入れることが可能である。この技法により、照射されたプラズマ密度を数倍に高めることができる。ＦＲＣシステム１０では、ミラープラグ４４０の側部のダイバータ３００上に搭載されたガスボックスは、ＦＲＣの縁層４５６の燃料補給、ＦＲＣ４５０の形成、およびプラズマ磁力線短絡を向上させる。
【００８５】
上に論じたすべての調整パラメータを所与とし、また、一方のみまたは両方のガンを備えた作動が可能であることを考慮すると、広いスペクトルの作動モードが利用可能であることがすぐにわかる。
【００８６】
バイアス電極
開いた磁束表面の電気バイアスは、方位Ｅ×Ｂ運動を起こす径方向電位を提供することができ、方位Ｅ×Ｂ運動は、開いた磁力線プラズマの回転、ならびに速度シアを介して実際のＦＲＣコア４５０を制御するための、ノブを回すのに類似した制御機構を提供する。この制御を達成させるために、ＦＲＣシステム１０は、機械の様々な部分に配置された様々な電極を戦略的に利用する。図３は、ＦＲＣシステム１０内の好ましい場所に位置付けられたバイアス電極を示す。
【００８７】
原則として、以下の４つの分類の電極がある。（１）局所電荷を提供するために、ＦＲＣ４５０の縁部において特定の開いた磁力線４５２に接触させる、閉じ込めチャンバ１００内の点電極９０５、（２）方位が対称的な形で遠端磁束層４５６に帯電させるための、閉じ込めチャンバ１００と形成部分２００との間の環状電極９００、（３）複数の同心磁束層４５５（それによって層の選択は、ダイバータ磁場を調節するためにコイル４１６を調節することによって制御可能であり、その結果、適切な電極９１０上で所望の磁束層４５６を終了する）に帯電させるための、ダイバータ３００内の同心電極９１０の積層、および最後に（４）プラズマガン３５０自体（これは、ＦＲＣ４５０のセパラトリックス付近で内部の開いた磁束表面４５５を遮断する）の陽極９２０（図１０参照）。図１０および１１は、これらの一部に対するいくつかの典型的な設計を示す。
【００８８】
すべての場合において、これらの電極は、最高約８００Ｖまでの電圧でパルスまたは直流電源によって駆動される。電極のサイズおよびどの磁束表面が交差しているかに依存して、電流をキロアンペア範囲で引くことができる。
【００８９】
（ＦＲＣシステムの非持続作動−従来のレジーム）
良好に開発された磁場反転シータピンチ技法の後に、ＦＲＣシステム１０上の標準プラズマ形成が続く。ＦＲＣを開始するための通常のプロセスは、定常状態作動のために疑似直流コイル４１２、４１４、４１６、４２０、４３２、４３４および４３６を駆動することにより開始する。次いでパルス電力形成システム２１０のＲＦＴＰパルス電力回路は、パルス高速磁場反転コイル２３２を駆動して、形成部分２００内に約−０．０５Ｔの一時的な逆バイアスを生成する。この点で、９〜２０ｐｓｉの所定の量の中性ガスを、形成部分２００の外端上に配置されたフランジにおいて方位角に配向されたパフ弁のセットを介して、（北および南の）形成部分２００の石英管チャンバ２４０によって画定された２つの形成容積の中に照射する。次に、小さいＲＦ（約数百キロヘルツ）の磁場を、石英管２４０の表面上のアンテナのセットから生成して、中性ガス柱内に局所シードイオン化領域（ｌｏｃａｌ  ｓｅｅｄ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  ｒｅｇｉｏｎ）の形でプレプレイオン化（ｐｒｅ−ｐｒｅ−ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）を生成する。これに続いて、パルス高速磁場反転コイル２３２を駆動する電流上にシータリング変調を加え、これによりガス柱のより広範囲のプレイオン化がもたらされる。最後に、パルス電力形成システム２１０の主要パルスパワーバンクを燃やして、最高０．４Ｔまでの順方向バイアス磁場を生成するためにパルス高速磁場反転コイル２３２を駆動する。このステップは、順方向バイアス磁場が形成管２４０の全長に亘って均一に生成されるように（静的形成）、または連続蠕動磁場変調が、形成管２４０の軸に沿って達成されるように（動的形成）、時系列にすることができる。
【００９０】
この形成プロセス全体で、プラズマ内の実際の磁場反転が約５μｓ内で急速に起きる。形成プラズマに容易に送達されたマルチギガワットのパルス電力は、高温のＦＲＣを生成し、次いで高温のＦＲＣは形成部分２００から順方向磁場（磁場蠕動）の時系列の装着、または形成管２１０（閉じ込めチャンバ１００に向かって軸方向を指す、軸方向の磁場勾配を形成する）の軸方向の外端近傍のコイルセット２３２の最後のコイル内の一時的に増加した電流のいずれかの適用によって、形成部分２００から照射される。そのように形成され、加速された２つ（北および南）の形成ＦＲＣは、より大きい直径閉じ込めチャンバ１００に拡大し、この場合、疑似直流コイル４１２は、順方向バイアス磁場を生成して、径方向の拡大を制御し平衡外部磁束を提供する。
【００９１】
一旦北および南の形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００の中央平面近傍に到達すると、ＦＲＣは衝突する。衝突中、北および南の形成ＦＲＣの軸方向の運動エネルギーは、ＦＲＣが単一のＦＲＣ４５０に最終的に融合すると、大きく熱化される。プラズマ診断の大きいセットは、ＦＲＣ４５０の平衡を調査するために閉じ込めチャンバ１００の内で利用可能である。ＦＲＣシステム１０内の通常の作動条件は、セパラトリックスの半径が約０．４ｍおよび軸方向に約３ｍ延在する化合したＦＲＣを生成する。さらなる特性は、約０．１Ｔの外部磁場、約５×１０１９ｍ−３のプラズマ密度および最高１ｋｅＶまでの合計プラズマ温度である。いかなる持続もなしに、すなわち中性ビーム照射または他の補助手段によって加熱および／または電流駆動なしに、これらのＦＲＣの耐用期間は、本来の特性構成減衰時間の約１ｍｓに制限される。
【００９２】
（非持続作動の実験データ−従来のレジーム）
図１２は、ＦＲＣ４５０のシータピンチ融合プロセスの力学を示すために、セパラトリックスの半径ｒｓに近づく、排除磁束半径ｒΔФの通常の時間発展を示す。２つ（北および南）の個々のプラズモイドは、同時に生成され、次いでそれぞれの形成部分２００から出て超音速ｖｚ約２５０ｋｍ／ｓで加速され、中央平面近傍でｚ＝０で衝突する。衝突中、プラズモイドは軸方向に圧迫し、続いて即座に径方向および軸方向に拡大し、最後に融合してＦＲＣ４５０を形成する。融合するＦＲＣ４５０の径方向および軸方向の力学の両方は、詳しく示した密度プロファイルの測定およびボロメータに基づいた断層撮影によって証明される。
【００９３】
ＦＲＣシステム１０の代表的な非持続放出からのデータは、図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，および１３Ｄに時間関数として示されている。ＦＲＣは、ｔ＝０で開始される。機械の軸方向の中央平面における排除磁束半径は、図１３Ａに示されている。このデータは、磁気プローブのアレイから得られ、閉じ込めチャンバのステンレス鋼壁のすぐ内側に配置され、これは軸方向磁場を測定する。鋼壁は、この放出の時間スケール上の良好な磁束保存器である。
【００９４】
線集積密度は、ｚ＝０に配置された６つのコードのＣＯ２／Ｈｅ−Ｎｅ干渉計から図１３Ｂに示されている。垂直（ｙ）ＦＲＣ変位を考慮すると、ボロメータの断層撮影によって測定されたように、アーベル逆変換は図１３Ｃの密度等高線をもたらす。初めの０．１ｍｓ間に一部の軸方向および径方向のスロッシング後、ＦＲＣは、中空密度プロファイルを有して定着する。このプロファイルは極めて平坦であり、必要に応じて通常の二次元ＦＲＣ平衡により実質的な密度を軸上にもつ。
【００９５】
圧力平衡から得られ、トムソン散乱分光測定と完全に一致する、合計プラズマ温度が、図１３Ｄに示されている。
【００９６】
排除磁束アレイ全体からの分析は、ＦＲＣのセパラトリックス（排除磁束軸方向プロファイルによって見積もられる）の形状が、レーストラック型から楕円形に次第に進化することを示す。図１４に示されたこの進化は、２つのＦＲＣから単一のＦＲＣへの段階的な磁気再結合に一致する。実際に、概算は、この特定の場合では、最初の２つのＦＲＣ磁束の約１０％が、衝突中に再結合すると示唆している。
【００９７】
ＦＲＣの長さは、ＦＲＣの耐用期間中に３ｍ〜約１ｍに確実に収縮する。この収縮は図１４に見られ、ほとんどの対流エネルギー損失は、ＦＲＣ閉じ込めより優先されることを示唆する。セパラトリックスの内側のプラズマ圧力は、外部磁気圧力より急速に低減するので、端部領域における磁力線張力は、ＦＲＣを軸方向に圧迫し、軸方向および径方向の平衡を回復する。図１３および１４に論じた放出に対して、ＦＲＣの磁束、粒子インベントリ、および熱エネルギー（それぞれ、約１０ｍＷｂ、７×１０１９粒子、および７ｋＪ）は、ＦＲＣ平衡が低下するように見えたとき、最初のミリ秒後におよそ１桁低減する。
【００９８】
（持続作動−ＨＰＦレジーム）
図１２〜１４における例は、いかなる持続もなしにＦＲＣを減衰する特性である。しかし、いくつかの技法は、ＦＲＣシステム１０に展開されて、さらにＦＲＣ閉じ込め（内部コアおよび縁層）をＨＰＦレジームに向上させ、閉じ込めを持続させる。
【００９９】
中性ビーム
まず、高速（Ｈ）中性を８個の中性ビーム照射装置６００からビーム内のＢｚに垂直に照射する。高速中性のビームは、北および南の形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００内で融合した瞬間から１つのＦＲＣ４５０の中に照射される。高速イオンは電荷交換によって主に生成され、ＦＲＣ４５０の方位電流に加えるベータトロン軌道（ＦＲＣトポロジーのスケール上または特性磁場勾配長さスケールよりはるかに長い主要半径を有する）を有する。放出のわずか後（照射の０．５〜０．８ｍｓ後）、充分に大きい高速イオン集団は、内部ＦＲＣの安定性および閉じ込め特性を著しく向上させる（例えば、Ｍ．Ｗ．ＢｉｎｄｅｒｂａｕｅｒおよびＮ．Ｒｏｓｔｏｋｅｒ、Ｐｌａｓｍａ  Ｐｈｙｓ．５６、ｐａｒｔ
３、４５１（１９９６）参照）。さらに、持続の観点から、中性ビーム照射装置６００からのビームも、電流を駆動しＦＲＣプラズマを加熱する主な手段である。
【０１００】
ＦＲＣシステム１０のプラズマレジームでは、高速イオンはプラズマ電子上で主に減速する。放出の初期の間、高速イオンの通常の軌道の平均減速時間は０．３〜０．５ｍｓであり、これは著しいＦＲＣの主に電子の加熱をもたらす。高速イオンは、内部ＦＲＣ磁場が本質的に低いので（０．１Ｔの外部軸方向磁場に対して平均約０．０３Ｔ）、セパラトリックスの外側の径方向の偏位を大きくする。高速イオンは、中性ガス濃度がセパラトリックスの外側で高過ぎた場合、電荷交換損失に対して弱いはずである。したがって、ＦＲＣシステム１０上に展開した壁ゲッタリングおよび他の技法（とりわけガス制御に寄与するプラズマガン３５０およびミラープラグ４４０など）は、端中性を最小にし、高速イオン電流の必要な構築を可能にする。
【０１０１】
ペレット照射
電子がより高温でＦＲＣの耐用期間がより長い、超高速イオン集団がＦＲＣ４５０内に構築される際、冷凍のＨまたはＤペレットは、ペレット照射装置７００からＦＲＣ４５０の中に照射されて、ＦＲＣ４５０のＦＲＣ粒子インベントリを持続させる。予想されるアブレーション時間スケールは充分に短いので、かなりのＦＲＣ粒子源を提供する。またこの速度は、個々のペレットをより小さい片に砕くことにより、照射された片の表面積を拡大することによって増大させることができるが、ペレット照射装置７００のバレルまたは照射管内で、また閉じ込めチャンバ１００に入る前に、閉じ込めチャンバ１００の中に入る直前に照射管の最後の部分の曲げ半径を締め付けることにより、ペレットと照射管の壁との間の片を増加させることによってステップを達成できる。１２バレル（照射管）の燃焼順序および速度、ならびに粉砕を変化させる恩恵により、ペレット照射システム７００を調整して、まさに所望のレベルの粒子インベントリの持続を提供することができる。その結果、これはＦＲＣ４５０内の内部動圧ならびにＦＲＣ４５０の持続作動および耐用期間を維持する役に立つ。
【０１０２】
一旦、除去された原子がＦＲＣ４５０内で著しいプラズマに衝突すると、除去された原子は完全にイオン化される。次いで得られた低温のプラズマ構成要素は、本来のＦＲＣプラズマにより衝突して加熱される。所望のＦＲＣ温度を維持するために必要なエネルギーは、ビーム照射装置６００により最終的に供給される。この意味で、ペレット照射装置７００は中性ビーム照射装置６００と一緒に、定常状態を維持しＦＲＣ４５０を持続するシステムを形成する。
【０１０３】
（ＣＴ注入器）
ペレット注入器の代替として、コンパクトトロイド（ＣＴ）注入器が、主に、磁場反転配位（ＦＲＣ）プラズマに燃料補給するために提供される。ＣＴ注入器７２０は、図２２Ａおよび２２Ｂに示されるように、同軸円筒形内側および外側電極７２２および７２４と、内側電極の内部に位置付けられるバイアスコイル７２６と、ＣＴ注入器７２０の放電の反対の端部における電気遮断器７２８とを含む、磁化同軸プラズマガン（ＭＣＰＧ）を備える。ガスが、ガス注入ポート７３０を通して内側電極７２２と外側電極７２４との間の空間の中に注入され、スフェロマック状プラズマが、放電によって生成され、ローレンツ力によってガンから押し出される。図２３Ａおよび２３Ｂに示されるように、一対のＣＴ注入器７２０が容器１００の中央平面の近傍および対向側において閉じ込め容器１００に結合され、ＣＴを閉じ込め容器１００内の中心ＦＲＣプラズマの中に注入する。ＣＴ注入器７２０の放電端は、中性ビーム注入器６１５と同様に、閉じ込め容器１００の長手方向軸に対してある角度で閉じ込め容器１００の中央平面に向かって指向される。
【０１０４】
代替実施形態では、ＣＴ注入器７２０は、図２４Ａおよび２４Ｂに示されるように、ＣＴ注入器７２０の放電端に結合される伸長円筒形管を備える、ドリフトチューブ７４０を含む。描写されるように、ドリフトチューブ７４０は、チューブの周りに位置付けられ、チューブに沿って軸方向に離間される、ドリフトチューブコイル７４２を含む。複数の診断ポート７４４が、チューブの長さに沿って描写される。
【０１０５】
ＣＴ注入器７２０の利点は、（１）注入されるＣＴあたりの粒子装荷量の制御および調節性と、（２）高温プラズマが堆積されること（極低温ペレットの代わりに）と、（３）システムが、連続燃料補給を可能にするように、繰り返し率モードで動作されることができることと、（４）システムがまた、注入されるＣＴが埋設磁場を搬送するにつれて、ある程度の磁束を復元し得ることとである。実験使用のためのある実施形態では、外側電極の内径は、８３．１ｍｍであり、内側電極の外径は、５４．０ｍｍである。内側電極７２２の表面は、好ましくは、電極７２２から生じる不純物を低減させるために、タングステンでコーティングされる。描写されるように、バイアスコイル７２６が、内側電極７２２の内側に搭載される。
【０１０６】
最近の実験では、最大約１００ｋｍ／秒の超音波ＣＴ平行移動速度が、達成された。他の典型的プラズマパラメータは、以下の通りである。電子密度約５×１０２１ｍ−３、電子温度約３０−５０ｅＶ、および粒子装荷量約０．５〜１．０×１０１９。ＣＴの高動圧は、注入されるプラズマがＦＲＣの中に深くまで透過し、粒子を区分線の内側に堆積させることを可能にする。最近の実験では、ＦＲＣ粒子燃料補給は、ＦＲＣ粒子装荷量の約１０〜２０％がＣＴ注入器によって正常に提供される結果をもたらし、燃料補給がＦＲＣプラズマを中断させずに容易に実施され得ることを実証した。
【０１０７】
サドルコイル
定常状態の電流駆動を達成し、必要なイオン電流を維持するために、電子イオン摩擦力（衝突イオン電子運動量移動からもたらされる）に起因する電子スピンを防止するまたは著しく低減することが望ましい。ＦＲＣシステム１０は、外部印加された静磁場双極子または四重極磁場を介して、電子遮断を提供する革新的な技法を利用する。これは、図１５に示した外部サドルコイル４６０を介して実現される。サドルコイル４６０から横方向に印加された径方向の磁場は、回転するＦＲＣプラズマ内の軸方向の電界を誘導する。得られる軸方向の電子電流は、径方向の磁場と相互作用して、電子上に方位遮断力Ｆθ＝−σＶｅθ＜｜Ｂｒ｜２＞を生成する。ＦＲＣシステム１０における典型的な条件に対して、プラズマ内部に必要な印加された磁場双極子（または四重極磁場）は、適切な電子遮断を提供するために約０．００１Ｔのみであることが必要である。約０．０１５Ｔの対応する外部磁場は充分に小さいので、多くの高速粒子損失あるいは閉じ込めに悪影響をもたらすことはない。事実、印加された磁場双極子（または四重極磁場）は、不安定性の抑制に寄与する。接線中性ビーム照射と軸方向プラズマ照射を組み合わせて、サドルコイル４６０は、電流の維持および安定性に関して追加レベルの制御を提供する。
【０１０８】
ミラープラグ
ミラープラグ４４０内のパルスコイル４４４の設計により、適度（約１００ｋＪ）の容量エネルギーで高磁場（２〜４Ｔ）の局所発生が可能になる。ＦＲＣシステム１０のこの作動の通常の磁場形成に対して、形成容積内のすべての磁力線は、図２における磁力線によって示唆されたように、ミラープラグ４４０で収縮部４４２を通過し、プラズマ壁の接触は起きない。さらに、疑似直流ダイバータ磁気４１６と連動してミラープラグ４４０を、磁力線をダイバータ電極９１０の上に導く、または磁力線を端部カスプ配位（図示せず）内で燃焼させるように、調節することができる。後者は安定性を向上させ、平行な電子熱伝導を抑圧する。
【０１０９】
またミラープラグ４４０自体も、中性ガス制御に寄与する。ミラープラグ４４０は、ダイバータ３００の中へのガス逆流が、プラグの少量のガスコンダクタンス（わずか５００Ｌ／ｓ）によって著しく低減するので、ＦＲＣ形成中に石英管に吹き入れられる重水素ガスのより良好な利用が可能になる。形成管２１０内部の残りの吹き入れられたガスのほとんどは、急速にイオン化される。加えて、ミラープラグ４４０を通って流れる高密度プラズマは、有効な中性イオン化、ひいては有効なガス障壁を提供する。結果として、ＦＲＣ縁層４５６からダイバータ３００内に再利用されたほとんどの中性は、閉じ込めチャンバ１００に戻らない。加えて、プラズマガン３５０の作動に関連した中性は（以下に論じるように）、ダイバータ３００に大部分が閉じ込められることになる。
【０１１０】
最後に、ミラープラグ４４０は、ＦＲＣ縁層閉じ込めを向上する傾向がある。ミラー比（プラグ／閉じ込め磁場）が２０〜４０の範囲で、北と南のミラープラグ４４０の間の長さが１５ｍで、縁層粒子閉じ込め時間  
【数４】
2019537722.tif 000006
は、最高１０倍まで増加する。向上する  
【数５】
2019537722.tif 000007
は、ＦＲＣ粒子閉じ込めを容易に増加させる。
【０１１１】
セパラトリックス容積４５３からの径方向の拡散（Ｄ）粒子損失が、縁層４５６からの軸方向損失  
【数６】
2019537722.tif 000008
によって均衡がとられたと仮定すると、  
【数７】
2019537722.tif 000009
が得られ、そこからセパラトリックス密度勾配長さを  
【数８】
2019537722.tif 000010
と書き換えることができる。式中、ｒｓ、Ｌｓおよびｎｓはそれぞれ、セパラトリックス半径、セパラトリックス長さおよびセパラトリックス密度である。ＦＲＣ粒子閉じ込め時間は、  
【数９】
2019537722.tif 000011
であり、式中、τ┴＝ａ２／Ｄであり、ａ＝ｒｓ／４である。物理的に、  
【数１０】
2019537722.tif 000012
が向上すると、δが増加し（セパラトリックス密度勾配およびドリフトパラメータが低減し）、したがってＦＲＣ粒子損失が低減する。ＦＲＣ粒子閉じ込めにおける全体の向上は、ｎｓが  
【数１１】
2019537722.tif 000013
と共に増加するので、概ね二次方程式より若干少ない。
【０１１２】
【数１２】
2019537722.tif 000014
における著しい向上はまた、縁層４５６が大幅な安定（すなわち、ｎ＝１のフルート、ファイアホース、または開放システムに特有の他のＭＨＤの不安定性がない）を維持することも必要とする。プラズマガン３５０の使用は、この好ましい縁部の安定性を提供する。この意味では、ミラープラグ４４０およびプラズマガン３５０は、有効な縁部制御システムを形成する。
【０１１３】
プラズマガン
プラズマガン３５０は、磁力線短絡によりＦＲＣ排除ジェット４５４の安定性を向上させる。プラズマガン３５０からのガンプラズマは、方位角運動量なしに生成され、これはＦＲＣ回転不安定性の制御に有用であることがわかる。したがって、ガン３５０は、より古い四重極の安定化技術を必要としない、ＦＲＣの安定性を制御する有効な手段である。結果として、プラズマガン３５０は、高速粒子の有益な効果を利用する、または本開示に概要を述べたように、進化したハイブリッド運動ＦＲＣレジームに近づくことを可能にする。したがって、プラズマガン３５０により、ＦＲＣシステム１０がまさに電子遮断に適切だが、ＦＲＣの不安定性を引き起こす、かつ／または劇的な高速粒子拡散をもたらすはずである閾値より低い、サドルコイル電流で作動されることが可能になる。
【０１１４】
上に論じたミラープラグで述べたように、  
【数１３】
2019537722.tif 000015
を著しく向上できる場合、供給されたガンプラズマは、縁層粒子損失速度（約１０２２／ｓ）に匹敵するはずである。ＦＲＣシステム１０内のガンを生成したプラズマの耐用期間は、ミリ秒の範囲である。実際には、密度ｎｅ約１０１３ｃｍ−３およびイオン温度約２００ｅＶのガンプラズマが、端部ミラープラグ４４０の間に閉じ込められるとみなしていただきたい。トラップ長さＬおよびミラー率Ｒは、それぞれ約１５ｍおよび２０である。クーロン衝突によるイオン平均自由行程は、λｉｉ約６×１０３ｃｍであり、λｉｉＩｎＲ／Ｒ＜Ｌであるので、イオンはガス動的レジーム内に閉じ込められる。このレジームにおけるプラズマ閉じ込め時間は、τｇｄ約ＲＬ／２Ｖｓ約２ｍｓであり、式中、Ｖｓはイオン音速である。比較のために、これらのプラズマパラメータに対する古典的イオン閉じ込め時間は、τｃ約０．５τｉｉ（ｌｎＲ＋（ｌｎＲ）０．５）約０．７ｍｓであるはずである。異常横拡散は、原則としてプラズマ閉じ込め時間を短縮してもよい。しかし、ＦＲＣシステム１０では、ボーム拡散速度を前提とする場合、ガンプラズマに対する見積もられた横閉じ込め時間は、τ⊥＞τｇｄ約２ｍｓである。それ故、ガンは、ＦＲＣ縁層４５６の著しい燃料補給、および全体が改良されたＦＲＣ粒子閉じ込めを提供するはずである。
【０１１５】
さらに、ガンプラズマ流を、約１５０〜２００マイクロ秒後にオンすることができ、それによってＦＲＣの起動、移動および閉じ込めチャンバ１００への融合に使用可能になる。ｔが約０でオンする場合（ＦＲＣ主要バンク開始）、ガンプラズマは、この動的に形成され融合されたＦＲＣ４５０を持続する役に立つ。形成ＦＲＣから、およびガンから組み合わせた粒子インベントリは、中性ビームの捕捉、プラズマの加熱、および長い持続に充分である。ｔが−１〜０ｍｓの範囲でオンする場合、ガンプラズマは、プラズマで石英管２１０を充填できる、または石英管の中に吹き入れたガスをイオン化でき、したがって、吹き入れたガスを低減する、または恐らく０でさえあるＦＲＣ形成が可能になる。後者は、逆バイアス磁場の高速拡散が可能になるために、充分に低温の形成プラズマが必要な場合がある。ｔが＜−２ｍｓでオンする場合、プラズマ流は、形成の約１〜３ｍ３の磁力線容積ならびに形成部分２００の閉じ込め領域および目標プラズマ密度がわずか１０１３ｃｍ−３である閉じ込めチャンバ１００を充填することができ、ＦＲＣの到達前に中性ビームの構築が充分に可能である。次いで形成ＦＲＣを形成し、得られる閉じ込め容器プラズマの中に移動できる。このような方法で、プラズマガン３５０は、広範囲の作動条件およびパラメータレジームが可能である。
【０１１６】
電気的バイアス
縁層４５６内の径方向電界の制御は、ＦＲＣの安定性および閉じ込めに様々な方法で有利である。ＦＲＣシステム１０に展開した革新的なバイアス構成要素の恩恵により、電位の様々な意図的な分散を閉じ込めチャンバ１００内の中央閉じ込め領域の充分に外側の領域から機械全体に亘って開いた磁束表面の群に印加することができる。このような方法で、径方向磁場を、ＦＲＣ４５０のすぐ外側の縁層４５６を横切って生成することができる。次いでこれらの径方向電界は、縁層４５６の方位回転を修正し、Ｅ×Ｂ速度シアによってその閉じ込めをもたらす。次いで縁層４５６とＦＲＣコア４５３との間のあらゆる差動回転を、シアによりＦＲＣプラズマの内側に移動できる。結果として、縁層４５６を制御することは、ＦＲＣコア４５３に直接影響を与える。さらに、プラズマ回転における自由エネルギーも不安定性に関与できるので、この技法は、不安定性の開始および成長を制御する直接手段を提供する。ＦＲＣシステム１０では、適切な縁バイアスは、開いた磁力線の移動および回転、ならびにＦＲＣコア回転の有効な制御を提供する。様々な提供された電極９００、９０５、９１０および９２０の場所および形状により、磁束表面４５５の異なる群の制御が異なる独立した電位で可能になる。このような方法で、多様な異なる電界構成および強度を認識でき、それぞれはプラズマ性能に対する異なる性質の影響をもつ。
【０１１７】
すべてのこれらの革新的バイアス技法の主要な利点は、コアおよび縁部のプラズマ挙動が、ＦＲＣプラズマの充分に外側から影響を与えることができる、すなわち、いかなる物理的な構成要素も中央高温プラズマ（中央高温プラズマは、エネルギー、磁束および粒子の損失に深刻な影響をもつはずである）に接触させる必要がないという事実である。これは、ＨＰＦの概念の性能およびすべての潜在用途に対して主要な有利な影響を有する。
【０１１８】
（実験データ−ＨＰＦ作動）
中性ビームガン６００からのビームによる高速粒子の照射は、ＨＰＦレジームを可能にする重要な役割を果たす。図１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ,および１６Ｄはこの事実を示す。示されているのは、ＦＲＣの耐用期間がビームパルスの長さにどのように関連するかを示す曲線のセットである。すべての他の作動条件は、この研究を含むすべての放出に対して一定に保たれる。データは、多くの照射に亘って平均し、したがって、通常の挙動を表す。ビーム期間が長いほど、より長く存続するＦＲＣを生成させることが極めて明白である。この証拠ならびにこの研究中の他の診断を見ると、ビームは安定性を高め、損失を低減することを実証している。ビームパルス長さとＦＲＣの耐用期間との間の相互関係は、ビームトラッピングがある種のプラズマサイズ未満で効力がないので、すなわち、照射されたビームのすべての物理的サイズにおけるＦＲＣ４５０の収縮が、捕捉されるまたはトラッピングされるわけではないので、完全ではない。ＦＲＣの収縮は、主に、放電の間のＦＲＣプラズマからの正味エネルギー損失（放電のほぼ中間で約４ＭＷ）が、特定の実験設定に関して、中性ビーム（約２．５ＭＷ）を介してＦＲＣの中に給送される総パワーより幾分大きいという事実に起因する。ビームを容器１００の中央平面により近接する場所に位置させることは、これらの損失を低減させ、ＦＲＣ寿命時間を延長させる傾向となるであろう。
【０１１９】
図１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ，および１７Ｄは、ＨＰＦレジームを達成するための異なる構成要素の効果を示す。図１７は、時間関数としてＦＲＣ４５０の耐用期間を示す典型的な曲線族を示す。すべての場合において、ビーム電力の一定の適度の量（約２．５ＭＷ）が、各放出の全期間照射される。各曲線は、構成要素の異なる組合せを表す。例えば、ミラープラグ４４０、プラズマガン３５０またはゲッタリング・システム８００からのゲッタリングのいずれもなしにＦＲＣシステム１０を作動させると、回転の不安定性の急激な発生およびＦＲＣトポロジーの損失をもたらす。ミラープラグ４４０のみを加えると、不安定性の発生を遅らせ、閉じ込めを増加させる。ミラープラグ４４０とプラズマガン３５０の組合せを利用すると、さらに不安定性を低減し、ＦＲＣの耐用期間を増加させる。最後にガン３５０およびプラグ４４０の上にゲッタリング（この場合Ｔｉ）を加えると、最良の結果を得る、すなわち、得られるＦＲＣは、不安定性がなく、最長の耐用期間を示す。構成要素の完全な組合せが最良の効果を生み出し、最良の目標条件をもつビームを提供することが、この実験証明から明らかである。
【０１２０】
図１に示したように、最近発見されたＨＰＦレジームは、劇的に改良された移動挙動を示す。図１は、従来のレジームとＨＰＦレジームとの間のＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込め時間の変化を示す。見てわかるように、これは、ＨＰＦレジームにおいて５倍をはるかに超えて改良されている。加えて、図１は、従来のＦＲＣ実験前の粒子閉じ込め時間に対して、ＦＲＣシステム１０における粒子閉じ込め時間を詳しく示す。これらの他の機械に関して、ＦＲＣシステム１０のＨＰＦレジームは、５倍〜ほぼ２０倍に閉じ込めを改良してきた。最後に最も重要なことだが、ＨＰＦレジームにおけるＦＲＣシステム１０の閉じ込めスケーリングの本質は、すべての以前の測定とは劇的に異なる。ＦＲＣシステム１０におけるＨＰＦレジームの確立前に、様々な実証的スケーリング則が、以前のＦＲＣ実験における閉じ込め時間を予測するためにデータから導き出された。これらのすべてのスケーリング則は、割合Ｒ２／ρｉに主に依存する。式中、Ｒは磁場のない半径（機械の物理的スケールの粗測）であり、ρｉは外部印加磁場において評価されたイオン・ラーモア半径（印加磁場の粗測）である。従来のＦＲＣにおける長い閉じ込めは、大型機械のサイズおよび／または高磁場のみで可能であることが図１から明らかである。従来のＦＲＣレジームＣＲにおいてＦＲＣシステム１０を作動することは、図１に示したように、これらのスケーリング則に従う傾向がある。しかし、ＨＰＦレジームは非常に優れており、はるかに良好な閉じ込めが、大型機械のサイズまたは高磁場なしに達成可能である。より重要なことには、ＨＰＦレジームは、ＣＲレジームに比べて低減したプラズマサイズをもつ、改良された閉じ込め時間をもたらすことも図１から明らかである。また、同様の傾向は、以下に説明するように磁束およびエネルギー閉じ込め時間にも見られ、その上、磁束およびエネルギー閉じ込め時間は、ＦＲＣシステム１０において３〜８倍を超えて増加した。したがって、ＨＰＦレジームの進歩は、ＦＲＣシステム１０におけるＦＲＣ平衡を持続し維持するために、わずかなビーム電力、より低い磁場およびより小さいサイズの使用、ならびに未来のより高エネルギーの機械の使用が可能になる。これらの改良に関連して、作動および構築費用を下げ、ならびに工学の複雑さを減らす。
【０１２１】
さらなる比較のために、図１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，および１８Ｄは、ＦＲＣシステム１０における代表的なＨＰＦレジーム放出からのデータを時間関数として示す。図１８Ａは、中央平面での排除磁束半径を示す。これらのより長い時間スケールに対して、誘導鋼鉄壁は、もはや磁束保存器のように良好ではなく、壁の内部にある磁気プローブは、鋼鉄を通る磁束拡散を適切に構成する壁の外側のプローブで増大される。図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，および１３Ｄに示したように、従来のレジームＣＲにおける通常の性能と比較して、ＨＰＦレジームの作動モードは、４００％を超える長い耐用期間を示す。
【０１２２】
線集積密度追跡の代表的コードは、図１８Ｃにおけるそのアーベル逆変換相補、密度等高線と共に、図１８Ｂに示されている。従来のＦＲＣレジームＣＲと比較して、図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，および１３Ｄに示したように、プラズマは、非常に安定した作動を示し、パルス全体を通してより不活発である。またピーク濃度は、ＨＰＦ照射においてわずかに低く、これは、図１８Ｄに示したように、より高い合計プラズマ温度（最高２倍まで）の結果である。
【０１２３】
図１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，および１８Ｄに示されたそれぞれの放出に対して、エネルギー、粒子および磁束閉じ込め時間はそれぞれ、０．５ｍｓ、１ｍｓおよび１ｍｓである。放出への基準時間１ｍｓで、保存されたプラズマエネルギーは２ｋＪであるが、損失は約４ＭＷであり、この目標を中性ビーム持続に非常に適合させる。
【０１２４】
図１９は、新しく確立された実験用ＨＰＦ磁束閉じ込めスケーリングの形態における、ＨＰＦ体系の全利点を要約する。図１９から分かるように、ｔ＝０．５ｍｓ、すなわち、ｔ≦０．５ｍｓおよびｔ＞０．５ｍｓの前後で測定された測定値に基づいて、磁束閉じ込め（同様に、粒子閉じ込めおよびエネルギー閉じ込め）は、所与の区分線半径（ｒｓ）に対して電子温度（Ｔｅ）のほぼ２乗に伴って変化する。Ｔｅの正の指数（負の指数ではない）に伴う本強スケーリングは、閉じ込めが、典型的には、電子温度のある指数に反比例する、従来のトカマクによって呈されるものと完全に反対である。本スケーリングの現れは、ＨＰＦ状態および大軌道（すなわち、ＦＲＣトポロジのスケールおよび／または少なくとも特性磁場勾配長スケール上の軌道）イオン集団の直接的結果である。基本的には、本新しいスケーリングは、高動作温度に実質的に有利に働き、比較的に中程度のサイズの炉を可能にする。
【０１２５】
ＨＰＦ体系が提示する利点によって、中性ビームによって駆動されるＦＲＣ持続または定常状態が、達成可能であって、プラズマ熱エネルギー、総粒子数、プラズマ半径および長さ、ならびに磁束等の包括的プラズマパラメータが、実質的減衰を伴わずに、合理的レベルで持続可能であることを意味する。比較のために、図２０は、プロットＡには、時間の関数としてのＦＲＣシステム１０内の代表的ＨＰＦ体系放電からのデータを、プロットＢには、ＦＲＣ４５０が、中性ビームパルスの持続時間を通して、減衰を伴わずに持続される、時間の関数としてのＦＲＣシステム１０内の投影された代表的ＨＰＦ体系放電のデータを示す。プロットＡに関しては、約２．５〜２．９ＭＷの範囲内の総パワーを伴う中性ビームが、約６ｍｓの活性ビームパルス長のために、ＦＲＣ４５０の中に注入された。プロットＡに描写される反磁性寿命時間は、約５．２ｍｓであった。より最近のデータは、約７．２ｍｓのプラズマ反磁性寿命時間が、約７ｍｓの活性ビームパルス長を用いて達成可能であることを示す。
【０１２６】
図１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，および１６Ｄに関して前述のように、ビームパルス長とＦＲＣ寿命時間との間の相関は、ビーム捕捉が、あるプラズマサイズを下回ると非効率的となるため、完璧ではない、すなわち、ＦＲＣ４５０の物理的サイズが収縮するにつれて、注入されるビーム全てが、奪取および捕捉されることはない。ＦＲＣの収縮または減衰は、主に、放電の間のＦＲＣプラズマからの正味エネルギー損失（放電のほぼ中間で−４ＭＷ）が、特定の実験設定に関して、中性ビーム（約−２．５ＭＷ）を介してＦＲＣの中に給送される総パワーより幾分大きいという事実に起因する。図３Ｃに関して記載のように、ビーム注入が中性ビームガン６００から中央平面に向かって角度付けられることによって、注入周期の間、ＦＲＣプラズマが収縮または別様に軸方向に縮小しても、ビーム−プラズマ結合を改良する。加えて、適切なペレット燃料補給は、必要プラズマ密度を維持するであろう。
【０１２７】
プロットＢは、約６ｍｓの活性ビームパルス長および約１０ＭＷを若干上回る中性ビームガン６００からの総ビームパワーを使用して行われたシミュレーションの結果であって、中性ビームは、約１５ｋｅＶの粒子エネルギーを伴うＨ（または、Ｄ）中性粒子を注入するものとする。ビームのそれぞれによって注入される等価電流は、約１１０Ａである。プロットＢに関して、デバイス軸に対するビーム注入角度は、標的半径０．１９ｍで直角よりも約２０°小さかった。注入角度は、直角よりも１５°〜２５°小さい範囲内で変更されることができる。ビームは、方位角的に並流方向に注入されるものとする。中性ビーム運動量注入からの正味側方力ならびに正味軸方向力は、最小限にされるものとする。プロットＡと同様に、高速（Ｈ）中性粒子が、北側および南側形成ＦＲＣが閉じ込めチャンバ１００内で融合する瞬間から、中性ビーム注入器６００から１つのＦＲＣ４５０の中に注入される。
【０１２８】
プロットＢのための基礎となったシミュレーションは、背景プラズマおよび平衡のための多次元ホールＭＨＤソルバ、エネルギー性ビーム成分および全散乱プロセスのための完全動態学的モンテカルロベースのソルバ、ならびに全プラズマ種に対して結合された輸送方程式集合を使用して、双方向損失プロセスをモデル化する。輸送成分は、実験的に較正され、実験データベースに対して広範囲にわたってベンチマークされる。
【０１２９】
プロットＢによって示されるように、ＦＲＣ４５０の定常状態反磁性寿命時間は、ビームパルスの長さとなるであろう。しかしながら、重要となる相関プロットＢは、ビームがオフにされると、プラズマまたはＦＲＣが、その前ではなく、その時間において、減衰し始めることを示すことに留意することが重要である。減衰は、ビーム支援ではない（おそらく、ビームオフ時間を約１ｍｓ超える）、放電中に観察され、単に、固有の損失プロセスによって駆動されるプラズマの特性減衰時間の反映であるものと類似するであろう。
【０１３０】
図２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄおよび２１Ｅに目を向けると、図に図示される実験結果は、角度付けられた中性ビームによって駆動されるＦＲＣ持続性または定常状態の達成を示す、すなわち、プラズマ半径、プラズマ密度、プラズマ温度、および磁束等のグローバルプラズマパラメータは、ＮＢパルス持続時間と相関して減衰を伴わずに、一定レベルで持続可能である。例えば、そのようなプラズマパラメータは、本質的に、約５＋ｍｓにわたって一定に保たれている。持続性特徴を含む、そのようなプラズマ性能は、強い相関ＮＢパルス持続時間を有し、蓄積された高速イオンに起因して、ＮＢ終了から数ミリ秒後でさえ、反磁性が残存する。図示されるように、プラズマ性能は、ＮＢ注入器および他のシステム構成要素等の多くの重要なシステムの関連付けられた電力供給源内の有限貯蔵エネルギーから生じるパルス長制約のみによって限定される。
高調高速波電子加熱
【０１３１】
図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ、および８に関して上記に記載のように、中性原子ビーム６００は、ＦＲＣシステム１０上で展開され、加熱および電流駆動を提供し、かつ高速粒子圧力を発生させる。中性原子ビーム注入器システム６００を備える、個々のビーム線は、中心閉じ込めチャンバ１００の周囲に位置し、図３Ｃ、３Ｄおよび３Ｅに示されるように、好ましくは、角度付けられ、中性粒子を閉じ込めチャンバ１００の中央平面に向かって注入する。ＦＲＣ持続性をさらに改良し、高プラズマ温度および上昇されたシステムエネルギーへのＦＲＣランプアップを実証するために、本ＦＲＣシステム１０は、上昇された電力および拡張されたパルス長、例えば、例示的目的のためだけに、最大３０ｍｓパルス長を伴う約２０＋ＭＷの電力の中性ビーム注入器（ＮＢＩ）システム６００を含む。
【０１３２】
しかしながら、中性ビーム注入は、イオン−電子衝突を通した電子上の電力減衰の機構に起因して、不良電子加熱効率を有する傾向にある。本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマの一意の特性、例えば、プラズマが著しく過密度であること（セパラトリックスの内側ではωｐｅ＞３０ωｃｅ）および磁場がプラズマコア内でゼロまで急降下することは、ＦＲＣプラズマのコア内での電子の加熱を非常に困難にする。電子サイクロトロン共鳴周波数（またはその第２または第３調波）加熱等の従来の電子加熱シナリオは、トカマク型、ヘリカル型、およびミラー型機械において広く利用されているが、プラズマコアの中への不良波到達可能性の問題に起因して、ＦＲＣプラズマに適合されることができない。電子バーンスタイン波、高域混成共鳴波、およびホイッスラー波等の他の電子加熱シナリオも、それらがＦＲＣプラズマに印加されるとき、類似問題に遭遇する、または低加熱効率を有する。
【０１３３】
例示的実施形態では、本ＦＲＣシステム１０は、高調高速波電子加熱を含み、プラズマ電子温度を上昇させ、したがって、ＦＲＣ持続性をさらに改良する。図２５に示されるように、本ＦＲＣシステム１０は、ＦＲＣシステム１０上で展開され、閉じ込め容器１００内で無線周波数範囲内の高調高速波をＦＲＣプラズマの中に伝搬し、ＦＲＣプラズマのコア内で約１５０ｅＶから約１ｋｅＶ超への電子加熱を提供するように構成される、例えば、４つのストラップを伴う位相アレイアンテナ等の１つ以上のアンテナ６５０を含む。例示的実施形態では、アンテナ６５０は、約１５〜２５Ｍｈｚにおいて約２ＭＷのＲＦシステムを備えるであろう。無線周波数範囲内の高調高速波を介した電子の加熱は、有利には、高速イオン電荷交換損失を低減させ、プラズマ閉じ込めを改良し、かつプラズマ電流駆動効率を向上させ、これは、電子温度Ｔｅに伴って上昇する。
【０１３４】
本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ等の高性能ＦＲＣプラズマ内の電子加熱のシミュレーションが、以下のシナリオで実施された。（１）高域混成共鳴周波数（５０ＧＨｚ）、（２）電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）周波数（２８ＧＨｚ）、（３）２．４５ＧＨｚ、５ＧＨｚ、８ＧＨｚ、および１８ＧＨｚの周波数における電子バーンスタイン波（ＥＢＷ）、（４）０．５ＧＨｚにおけるホイッスラー波、（５）１５ＭＨｚにおけるＨＨＦＷ。シミュレーション結果は、ＨＨＦＷの体系が、非常に強力な単回通過電力吸収（約１００％）を有するだけではなく、また、ＦＲＣプラズマのコアの中への非常に良好な波到達可能性を有することを明確に示した。これらのシミュレーションは、本高調高速波（ＨＨＦＷ）加熱を使用することによって、良好な波到達可能性と電子上の効率的電力減衰との間の矛盾が解消されることを示し、これは、コア電子加熱およびオフ軸電流駆動の実験のためのＮＳＴＸ等の高ベータ過密度球状トカマク型（ＳＴ）プラズマへの適合にも成功した。
【０１３５】
ＨＨＦＷの加熱機構は、電子ランダウ減衰（ＬＤ）（電子に作用する力は、ＦＬＤ＝ｅＥ／／である）とトランジットタイム加熱（ＴＴＭＰまたはＭＰ）（力は、ＦＭＰ＝−∇／／（μＢ／／）である）の両方を含む。ここでは、ｅおよびμは、電子の電荷および磁気モーメントであって、Ｅ／／およびＢ／／は、それぞれ、高速波電気および磁場の平行成分である。トカマク型プラズマにおける従来の高速波電子加熱は、優勢ＬＤを介した任意の有意な吸収のために波平行位相速度
【数１４】
2019537722.tif 000016
（電子熱速度）を要求する。すなわち、ＭＰは、電子減衰に有意な寄与をもたらさず、多くの場合、無視され得る。さらに、トカマク型プラズマ内の高速波の吸収は、弱く、したがって、通常、複数回通過電力吸収を向上させるために、電子サイクロトロン共鳴周波数におけるマイクロ波による強い電子予熱を有することが要求される。しかしながら、ＮＳＴＸのような高ベータＳＴプラズマでは、ＭＰが、電子ＬＤ単独より、電子上の電力吸収を有意に増加させ、より高い位相速度の範囲
【数１５】
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において実質的に大きくなることが見出された。ＭＰとＬＤの組み合わせは、１００％単回通過吸収につながり得る。
【０１３６】
本ＦＲＣシステム１０の高性能ＦＲＣプラズマ等の高ベータ体系（コアプラズマ内で約９０％のβｅの値を有する）では、減衰は、磁気ポンピングによって左右され、これは、Ｉｍｋ⊥∝ｎｅＴｅ／Ｂ２∝βｅと見積もられ得、磁気ポンピングは、
【数１６】
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のとき有意となる。本ＦＲＣシステム１０に関するシミュレーションでは、Ｔｅ＝１５０ｅＶ、Ｔｉ＝８００ｅＶ、ｎｅ＝ｎｉ＝３．２×１０１９ｍ−３、磁場Ｂ＝１０００ガウスであって、ＨＨＦＷは、１ＭＷ発射電力を有し、その周波数は、ｆ＝１５ＭＨｚであるように選択され、したがって、ω＝２πｆ＝１０ωｃｉ［Ｈ］＝２０ωｃｉ［Ｄ］＜＜ωＬＨであって、９９％を上回る単回通過吸収が、達成され、電子上で減衰されたＨＨＦＷ電力は、９０％も高いことが示された。イオン上で減衰される、または衝突を通して減衰される電力は、それぞれ、５％未満であり得る。さらに、電子、イオン上、および衝突を通した電力堆積の半径方向プロファイルは、６０％を上回るＨＨＦＷ電力がＦＲＣプラズマのセパラトリックス層の内側で減衰されることを示した。
【０１３７】
図２６Ａおよび２６Ｂは、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマの完全な半径方向密度プロファイルおよび完全な半径方向電子温度プロファイルを図示する。本開示の実施形態による、本ＦＲＣシステムは、表１に示されるパラメータおよび値の対に従って構成される。
【表１】
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【０１３８】
図２７Ａ−２７Ｄは、本ＦＲＣシステム１０の中央平面（Ｚ＝０）におけるＣ−２Ｕ平衡および特性周波数の半径方向プロファイルを図示する。観察される課題は、セパラトリックス層の内側では、プラズマが、過密度（ωｐｅ＞３０ωｃｅ）であって、Ｂが、１１ｃｍ半径方向距離内において０まで急降下することである。全てのＥＣＲ高調波共鳴層は、非常に狭い領域内に充塞され、したがって、マイクロ波は、非常に短距離にわたってのみ半径方向に伝搬し得る。
【０１３９】
以下のシミュレーションは、以下のようなマイクロ波周波数におけるシナリオに関して、ＧＥＮＲＡＹ−Ｃレイトレーシングコードを用いて行われた。
ＥＢＷ（２．４５ＧＨｚ、５ＧＨｚ、８ＧＨｚ、１８ＧＨｚ、および２８ＧＨｚ）
高域混成共鳴周波数（５０ＧＨｚ、５５ＧＨｚ）
ホイッスラー波周波数（０．５〜１．０ＧＨｚ）
残念ながら、これらのシナリオは、プラズマコアの中への波侵入と電子上の効率的電力減衰との間の矛盾を解消することができない。
【０１４０】
図２８Ａ−２８Ｃは、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での８ＧＨｚにおけるマイクロ波の電子バーンスタイン波（ＥＢＷ）電子加熱条件下での電力吸収およびモード変換の観察を図示する。図２８Ａ−２８Ｃでは、６つの光線が、異なる角度で発射され、明確なＯ−＞Ｘ−＞Ｂ変換が、観察される。９０％を上回るマイクロ波電力が、第４高調波ＥＣＲ層（セパラトリックスの外側）における電子によって吸収され得る。これは、非常に局所的吸収をもたらす。ＥＢＷ体系は、プラズマ縁においてのみ電子を加熱することができ、プラズマコアの中に侵入することができない。
【０１４１】
図２９Ａ−２９Ｆは、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での５０ＧＨｚにおけるマイクロ波の電子加熱条件下での電力吸収およびモード変換の観察を図示する。図２９Ａ−２９Ｆでは、Ｏ−＞Ｘ−＞Ｂ変換後、光線が伝搬を停止し、３０％のマイクロ波電力が吸収されることが観察される。
【０１４２】
図３０Ａ−３０Ｃは、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での０．５ＧＨｚにおけるホイッスラー波の電子加熱条件下での電力吸収の観察を図示する。図３０Ａ−３０Ｃでは、０．５ＧＨｚ（約１／４ｆｃｅ）におけるホイッスラー波は、高電力吸収を有するが、不良波到達可能性を有することが観察される。波が、大Ｎ／／（１６から開始する）を伴って発射され、大曲率の磁場が存在するとき、波は、転向する。
【０１４３】
これらの加熱体系と対照的に、高調高速波加熱は、シミュレーション結果によって実証されるように、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ等の高平均
【数１７】
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を伴うＦＲＣプラズマに関して、以下を提供する。１）強固な単回通過吸収
【数１８】
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、２）プラズマコアへの良好な到達可能性、３）最大６０％のコア電子による効率的電力吸収、４）電子上の電力減衰は、磁気ポンピング（ＴＴＭＰ）によって左右され、これは、ｌｍｋ⊥∝ｎｅＴｅ／Ｂ２∝βｅと見積もられ得る。
【０１４４】
図３１は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での密度プロファイルおよび波伝搬を図示する。図１０では、Ｔｅ＝１５０ｅＶである一方、Ｔｅ（セパラトリックス）＝１００ｅＶである。Ｔｉ＝８００ｅＶである一方、Ｔｉ（セパラトリックス）＝２００ｅＶである。熱イオンは、電子と同一密度およびプロファイルを有する。高速イオン情報は、図３１には含まれない。図３２は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内でのポロイダル磁束プロファイルおよび波伝搬を図示する。
【０１４５】
図３３は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での例示的密度プロファイルおよび波伝搬軌道を図示する。図３３では、Ｔｅ＝１５０ｅＶである一方、Ｔｅ（セパラトリックス）＝１００ｅＶである。Ｔｉ＝８００ｅＶである一方、Ｔｉ（セパラトリックス）＝２００ｅＶである。図３３では、ｆ＝６ＭＨｚ（初期ω／ωｃｉ［Ｄ］約９）であって、１ＭＷ総電力を伴う。５つの光線が、中央平面において発射され、初期ｎ／／は、４〜６である。
【０１４６】
図３４は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での例示的ω／ωｃｉ［Ｄ］プロファイルおよび波伝搬軌道を図示する。図３４では、ω／ωｃｉ［Ｄ］＞２８のレベルは、明確にするために表示されない。間隙内の点線は、磁束輪郭である。
【０１４７】
図３５は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での波伝搬の距離に伴う例示的電力減衰を図示する。図３５では、５つの光線が、異なるｎ／／４〜６を伴って含まれる。各光線は、発射点において２００ＫＷ電力を有する。有意な電力減衰の領域は、３０ｃｍ〜５０ｃｍである。
【０１４８】
図３６は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での例示的電力吸収プロファイルを図示する。図３６では、ＨＨＦＷがセパラトリックス層を通して侵入するとき、イオンおよび電子上に有意な電力吸収が、観察される。
【０１４９】
図３７Ａおよび３７Ｂは、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での電力密度の例示的半径方向プロファイルを図示する。電力密度の半径方向プロファイルは、（ａ）総吸収、（ｂ）電子上の減衰、（ｃ）イオン上の減衰、および（ｄ）衝突減衰に関する。図３７Ａでは、Ｐｔｏｔａｌ＝１０００ｋＷ、Ｐｅ＝４４８ｋＷ、Ｐｉ＝４８６ｋＷ、およびＰｃｌ＝６６ｋＷである。図３７Ｂでは、Ｐｔｏｔａｌ＝９９９ｋＷ、Ｐｅ＝７２０ｋＷ、Ｐｉ＝１９４ｋＷ、およびＰｃｌ＝８５ｋＷである。１００％の単回通過吸収が、プラズマコア内でのＨＨＦＷ加熱の間に観察される。
【０１５０】
図３８は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での減衰電力密度の例示的２Ｄプロファイルを図示する。
【０１５１】
図３９は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での例示的電力減衰プロファイルを図示する。図３９では、｜Ｂ｜が最小値に接近するとき、電子上の電力減衰が最大値まで増加することが、観察される。非常にわずかな｜Ｅ／／／Ｅ｜、したがって、電力吸収に及ぼすランダウ減衰のわずかな影響が、観察される。
【０１５２】
図４０は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での例示的有限イオンラーモア半径プロファイルを図示する。図４０では、有意な有限イオンラーモア半径効果が、イオン温度がＴｉ＜１ｋｅＶであるときでも観察される。セパラトリックスの内側では、Ｋ⊥ｘρＬａｒｍｏｒ＞＞１である。これは、中央平面（ｚ＝０）における磁場がヌルであるときに無限となる。これは、ＨＨＦＷとの熱イオン相互作用、したがって、熱イオン上の電力減衰につながり得る。
【０１５３】
図４１は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での例示的電力吸収プロファイルを図示する。図４１では、熱イオンによる有意な電力吸収が、観察される。イオンサイクロトロン共鳴吸収が、高調波数ｎ＝（１１−２０）で観察される。イオン上の有意な電力減衰に関する条件は、Ｋ⊥ｘρＬａｒｍｏｒ＞＞１およびω／Ｋ⊥＜２ＶＴｉである。
【０１５４】
図４２は、本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマ内での例示的プロファイルを図示する。図４２では、（ａ）局所｜Ｂ（ｒ，ｚ）｜、（ｂ）垂直波数Ｋｉの虚数部、（ｃ）｜Ｅ＼＼／Ｅ｜の比率、および（ｄ）平行屈折率ｎ／／の変化が、波伝搬に沿った距離に伴って観察される。
【０１５５】
本ＦＲＣシステム１０のＦＲＣプラズマのＨＨＦＷ加熱のシミュレーションは、ＨＨＦＷ加熱が、１）１００％単回通過電力吸収、２）ＴＴＭＰがコア電子加熱のための優勢電力吸収機構であること、３）波平行位相速度Ｖｐｈ／／＝ω／ｋ／／＜ＶＴｅであるときに生じる電子上の最大電力減衰、および４）熱イオンによる有意な電力吸収が、Ｋ⊥×ρＬａｒｍ＞＞１およびω／ｋ⊥＜２ＶＴｉの条件が保持されるときに発生する傾向にあることをもたらすことを明確に実証した。
【０１５６】
本開示のある実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を発生および維持するための方法は、閉じ込めチャンバ内でプラズマの周りにＦＲＣを形成するステップと、複数の中性ビームをＦＲＣプラズマの中に閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップと、ＦＲＣプラズマの中に伝搬する高調高速波を用いて、ＦＲＣプラズマの電子を加熱するステップとを含む。
【０１５７】
本開示のさらなる実施形態によると、電子を加熱するステップは、複数の高調高速波を１つ以上のアンテナから閉じ込めチャンバ内のＦＲＣプラズマの中に発射するステップを含む。
【０１５８】
本開示のさらなる実施形態によると、電子を加熱するステップは、複数の高調高速波を１つ以上のアンテナから閉じ込めチャンバ内のＦＲＣプラズマの中に閉じ込めチャンバの中央平面からある発射角度で発射するステップを含む。
【０１５９】
本開示のさらなる実施形態によると、発射角度は、閉じ込めチャンバの中央平面から約１５°〜約２５°の範囲内である。
【０１６０】
本開示のさらなる実施形態によると、発射角度は、閉じ込めチャンバの長手方向軸に対する直角に近いが、該直角未満である。
【０１６１】
本開示のさらなる実施形態によると、１つ以上のアンテナは、複数のストラップを伴う、位相アレイアンテナである。
【０１６２】
本開示のさらなる実施形態によると、高調高速波は、無線周波数範囲内の高速波である。
【０１６３】
本開示のさらなる実施形態によると、電子を加熱するステップは、電子を約１５０ｅＶから約１ｋｅＶ超まで加熱するステップを含む。
【０１６４】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、減衰を伴わずに、ＦＲＣを一定値またはほぼ一定値に維持し、プラズマ電子温度を約１．０ｋｅＶ超まで上昇させるステップを含む。
【０１６５】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、閉じ込めチャンバの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、閉じ込めチャンバ内で磁場を発生させ、閉じ込めチャンバの両端の周りに延在する擬似直流ミラーコイルを用いて、閉じ込めチャンバの両端内でミラー磁場を発生させるステップを含む。
【０１６６】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、閉じ込めチャンバの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、閉じ込めチャンバ内で磁場を発生させ、閉じ込めチャンバの両端の周りに延在する擬似直流ミラーコイルを用いて、閉じ込めチャンバの両端内でミラー磁場を発生させるステップを含む。
【０１６７】
本開示のさらなる実施形態によると、ＦＲＣを形成するステップは、形成ＦＲＣを閉じ込めチャンバに結合される対向する第１および第２の形成区分内に形成し、形成ＦＲＣを第１および第２の形成区分から閉じ込めチャンバの平面を通して中央に向かって加速させるステップであって、２つの形成ＦＲＣは、ＦＲＣを形成するように融合する、ステップを含む。
【０１６８】
本開示のさらなる実施形態によると、ＦＲＣを形成するステップは、形成ＦＲＣを閉じ込めチャンバの中央平面に向かって加速させながら、形成ＦＲＣを形成するステップと、形成ＦＲＣを形成し、次いで、閉じ込めチャンバの平面を通して中央に向かって形成ＦＲＣを加速させるステップとのうちの１つを含む。
【０１６９】
本開示のさらなる実施形態によると、形成ＦＲＣを第１および第２の形成区分から閉じ込めチャンバの中央平面に向かって加速させるステップは、第１および第２の形成区分から、閉じ込めチャンバと第１および第２の形成区分とに介在する閉じ込めチャンバの両端に結合される第１および第２の内側ダイバータを通して、形成ＦＲＣを通過させるステップを含む。
【０１７０】
本開示のさらなる実施形態によると、形成ＦＲＣを第１および第２の形成区分から第１および第２の内側ダイバータを通して通過させるステップは、形成ＦＲＣが第１および第２の形成区分から第１および第２の内側ダイバータを通して通過するにつれて、第１および第２の内側ダイバータを非アクティブ化するステップを含む。
【０１７１】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ＦＲＣの磁束表面を第１および第２の内側ダイバータの中に誘導するステップを含む。
【０１７２】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ＦＲＣの磁束表面を形成区分の端部に結合される第１および第２の外側ダイバータの中に誘導するステップを含む。
【０１７３】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、形成区分およびダイバータの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、磁場を形成区分および第１および第２の外側ダイバータ内に発生させるステップを含む。
【０１７４】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、形成区分およびダイバータの周りに延在する擬似直流コイルを用いて、磁場を形成区分および第１および第２の内側ダイバータ内で発生させるステップを含む。
【０１７５】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、擬似直流ミラーコイルを用いて、ミラー磁場を第１および第２の形成区分と第１および第２の外側ダイバータとの間に発生させるステップを含む。
【０１７６】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、形成区分とダイバータとの間の狭窄部の周りに延在する擬似直流ミラープラグコイルを用いて、ミラープラグ磁場を第１および第２の形成区分と第１および第２の外側ダイバータとの間の狭窄部内で発生させるステップを含む。
【０１７７】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、擬似直流ミラーコイルを用いて、ミラー磁場を閉じ込めチャンバと第１および第２の内側ダイバータとの間に発生させ、擬似直流薄型ネッキングコイルを用いて、ネッキング磁場を第１および第２の形成区分と第１および第２の内側ダイバータとの間に発生させるステップを含む。
【０１７８】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、チャンバに結合されるサドルコイルを用いて、磁気双極場および磁気四重極場のうちの１つをチャンバ内で発生させるステップを含む。
【０１７９】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ゲッタリングシステムを用いて、チャンバの内部表面および第１および第２の形成区分の内部表面と、閉じ込めチャンバと第１および第２の形成区分とに介在する第１および第２のダイバータと、第１および第２の形成区分に結合される、第１および第２の外側ダイバータとを調整するステップを含む。
【０１８０】
本開示のさらなる実施形態によると、ゲッタリングシステムは、チタン堆積システムおよびリチウム堆積システムのうちの１つを含む。
【０１８１】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、プラズマをＦＲＣの中に軸方向に搭載されるプラズマガンから軸方向に注入するステップを含む。
【０１８２】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、ＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップを含む。
【０１８３】
本開示のさらなる実施形態によると、ＦＲＣの縁層内の半径方向電場プロファイルを制御するステップは、バイアス電極を用いて、ある電位の分布をＦＲＣの開磁束面群に印加するステップを含む。
【０１８４】
本開示のさらなる実施形態によると、本方法はさらに、コンパクトトロイド（ＣＴ）プラズマを第１および第２のＣＴ注入器からＦＲＣプラズマの中に閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で注入するステップを含み、第１および第２のＣＴ注入器は、閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する。
【０１８５】
本開示のさらなる実施形態によると、磁場反転配位（ＦＲＣ）を伴う磁場を発生および維持するためのシステムは、閉じ込めチャンバと、閉じ込めチャンバに結合される、第１および第２の直径方向に対向するＦＲＣ形成区分と、ＦＲＣ形成区分に結合される、第１および第２の直径方向に対向するダイバータと、複数のプラズマガン、１つ以上のバイアス電極、および第１および第２のミラープラグのうちの１つ以上のものであって、複数のプラズマガンは、第１および第２のダイバータ、第１および第２の形成区分、および閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第１および第２の軸方向プラズマガンを含み、１つ以上のバイアス電極は、閉じ込めチャンバ、第１および第２の形成区分、および第１および第２の外側ダイバータのうちの１つ以上のもの内に位置付けられ、第１および第２のミラープラグは、第１および第２の形成区分と第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる、複数のプラズマガン、１つ以上のバイアス電極、および第１および第２のミラープラグのうちの１つ以上のものと、閉じ込めチャンバおよび第１および第２のダイバータに結合される、ゲッタリングシステムと、閉じ込めチャンバに結合され、閉じ込めチャンバの中央平面に向かって角度付けられる、複数の中性原子ビーム注入器と、閉じ込めチャンバ、第１および第２の形成区分、および第１および第２のダイバータの周囲に位置付けられる、複数の擬似直流コイルと、第１および第２の形成区分と第１および第２のダイバータとの間に位置付けられる、擬似直流ミラーコイルの第１および第２のセットとを備える、磁気システムと、閉じ込めチャンバの周囲に位置付けられる、アンテナシステムであって、高調高速波をＦＲＣプラズマの中に発射し、プラズマ電子を加熱するように構成される、アンテナシステムとを備える。
【０１８６】
本開示のさらなる実施形態によると、本システムは、ＦＲＣを発生させ、中性ビームがプラズマの中に注入されている間、減衰を伴わずに、ＦＲＣを維持し、プラズマ電子温度を約１．０ｋｅＶ超まで上昇させるように構成される。
【０１８７】
本開示のさらなる実施形態によると、アンテナシステムは、高調高速波を閉じ込めチャンバの中央平面からある発射角度でＦＲＣプラズマの中に発射するように位置付けられる、１つ以上のアンテナを含む。
【０１８８】
本開示のさらなる実施形態によると、発射角度は、閉じ込めチャンバの中央平面から約１５°〜約２５°の範囲内である。
【０１８９】
本開示のさらなる実施形態によると、発射角度は、閉じ込めチャンバの長手方向軸に対する直角に近いが、該直角未満である。
【０１９０】
本開示のさらなる実施形態によると、アンテナシステムは、複数のストラップを伴う位相アレイアンテナを含む。
【０１９１】
本開示のさらなる実施形態によると、高調高速波は、無線周波数範囲内の高速波である。
【０１９２】
本開示のさらなる実施形態によると、本システムは、ＦＲＣプラズマ電子を約１５０ｅＶから約１ｋｅＶ超に加熱するように構成される。
【０１９３】
本開示のさらなる実施形態によると、第１および第２のダイバータは、第１および第２の形成区分と閉じ込めチャンバとに介在する、第１および第２の内側ダイバータを備え、第１および第２の形成区分に結合される、第１および第２の外側ダイバータをさらに備え、第１および第２の形成区分は、第１および第２の内側ダイバータと第１および第２の外側ダイバータとに介在する。
【０１９４】
本開示のさらなる実施形態によると、本システムはさらに、第１および第２の内側および外側ダイバータ、第１および第２の形成区分、および閉じ込めチャンバに動作可能に結合される、第１および第２の軸方向プラズマガンを備える。
【０１９５】
本開示のさらなる実施形態によると、本システムはさらに、閉じ込めチャンバに結合される、２つ以上のサドルコイルを備える。
【０１９６】
本開示のさらなる実施形態によると、形成区分は、ＦＲＣを発生させ、それを閉じ込めチャンバの中央平面に向かって平行移動させるためのモジュール化された形成システムを備える。
【０１９７】
本開示のさらなる実施形態によると、バイアス電極は、閉じ込めチャンバ内に位置付けられ、開放磁力線に接触するための１つ以上の点電極と、閉じ込めチャンバと第１および第２の形成区分との間にあり、方位角的に対称な方式において遠端束層を充電するための環状電極のセットと、第１および第２のダイバータ内に位置付けられ、複数の同心磁束層を充電するための複数の同心状にスタックされた電極と、開放磁束を捕捉するためのプラズマガンのアノードとのうちの１つ以上のものを含む。
【０１９８】
本開示のさらなる実施形態によると、本システムはさらに、閉じ込めチャンバの中央平面に向かってある角度で閉じ込めチャンバに結合される、第１および第２のコンパクトトロイド（ＣＴ）注入器を備え、第１および第２のＣＴ注入器は、閉じ込めチャンバの中央平面の対向側で直径方向に対向する。
【０１９９】
しかしながら、本明細書に提供される例示的実施形態は、単に、例証的実施例として意図され、いかようにも限定されない。
【０２００】
本明細書に提供される任意の実施形態に関して説明される全ての特徴、要素、構成要素、機能、およびステップは、任意の他の実施形態からのものと自由に組み合わせ可能かつ代用可能であることを意図している。ある特徴、要素、構成要素、機能、またはステップが、一実施形態のみに関して説明される場合、特徴、要素、構成要素、機能、またはステップは、別様に明示的に記述されない限り、本明細書に説明される全ての他の実施形態とともに使用され得ることを理解されたい。本段落は、したがって、常に、異なる実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを組み合わせる、または、一実施形態からの特徴、要素、構成要素、機能、およびステップを別のもので代用する、請求項の導入の先行する基礎ならびに書面による支援としての役割を果たし、仮に以下の説明が、特定の事例において、そのような組み合わせまたは代用が可能であることを明示的に記述しなくても、そのような役割を果たす。特に、本説明を読んだ当業者が、ありとあらゆるそのような組み合わせおよび代用の許容性が容易に認識されるであろうことを考えれば、可能性な全ての組み合わせおよび代用を明示的に記載することは、過度の負担である。
【０２０１】
多くの事例では、エンティティは、他のエンティティに結合されるように本明細書に説明される。用語「結合される」および「接続される」（またはその形態のいずれか）は、本明細書では同義的に使用され、両場合では、２つのエンティティの直接結合（任意の無視不可能である（例えば、寄生）介在エンティティを伴わずに）および２つのエンティティの間接結合（１つまたは複数の無視不可能である介在エンティティを伴う）に包括的であることを理解されたい。エンティティが、ともに直接結合されるように示される、または任意の介在エンティティの説明を伴わずに、とともに結合されるように説明される場合、それらのエンティティは、文脈によって明確に別様に示されない限り、同様に、ともに間接的に結合されることができることを理解されたい。
【０２０２】
実施形態は、種々の修正および代替形態を被るが、その具体的実施例が、図面に示され、本明細書に詳細に説明されている。しかしながら、これらの実施形態は、開示される特定の形態に限定されるものではなく、対照的に、これらの実施形態は、本開示の精神内にある全ての修正、均等物、および代替案を網羅するものであることを理解されたい。さらに、実施形態の任意の特徴、機能、ステップ、または要素、ならびにその範囲内にない特徴、機能、ステップ、または要素によって請求項の範囲を定義する消極的限定が、請求項に記載もしくは追加されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【国際調査報告】
2019537722.tif 000068
2019537722.tif 000069